Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ 

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(РГГМУ)
Допущена к защите
Кафедра экспериментальной
Зав. д.ф.­м.н., профессор
кафедрой А.Д. Кузнецов
физики атмосферы
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Разработка электронного атласа облаков и состояний неба
Выполнила: студент, гр. М­512
Елена Аркадьевна Брусиловская
Руководитель: канд. ф.­м. н., доцент
Владимир Владимирович Чукин
Содержание
Введение
1
Классификация облаков и их характеристики
1.1
Классификация облаков
1.2
Описание основных форм облаков, их видов и 1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
4
разновидностей
Облака верхнего яруса
Облака среднего яруса
Облака нижнего яруса
Облака вертикального развития
Туманы
Системы облаков
Фронтальные системы облаков
Система облаков теплого фронта
Системы облаков холодного фронта
Системы фронта окклюзии
Стратосферные и мезосферные облака
Эволюция форм облаков
Осадки и их классификация
Морфологическая классификация осадков
Генетическая классификация осадков
Облака как местный признак погоды
Облака верхнего яруса
Облака среднего яруса
Облака нижнего яруса
Оптические явления в облаках и в осадках
Микроструктура водяных и ледяных облаков Оптические явления в облаках и осадках
Венцы
Радуги
Гало
Основные характеристики цифровых фотоаппаратов
2
Стр.
4
6
6
7
8
15
22
31
38
43
45
45
47
48
49
50
54
55
57
58
60
61
61
63
63
65
69
70
72
76
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6
4.2.7
4.3
5
Устройство цифрового фотоаппарата
Основные функции цифрового фотоаппарата
Увеличение изображения (оптическое и цифровое)
Фокусировка и экспозиция изображения
Вспышка
Жидкокристаллический монитор
Качество и разрешение изображения
Форматы хранения изображений
Носители данных
Загрузка изображений в компьютер
Технические и программные средства предоставления 76
77
77
78
79
80
80
81
82
83
5.1
5.1.1
5.1.2
5.2
5.2.1
5.2.2
информации о формах облаков
Компьютерные сети
Локальная сеть
Глобальная сеть
Язык разметки гипертекста HTML
Основные определения языка разметки HTML
Определения основных тегов и параметров, которые 85
85
85
89
92
92
использовались при составлении электронного атласа облаков
5.3
Описание разработанного электронного атласа облаков
Заключение
Список использованных источников
Приложение А
3
95
98
106
108
109
Введение
Облака представляют собой одно из интереснейших явлений погоды. Среди тех величин и явлений, которые объединяются понятием «погода», определяющая роль принадлежит облакам и связанным с ними осадками. Облака представляют собой системы взвешенных в атмосфере облачных элементов, которые при укрупнении выпадают в виде осадков (дождь, снег, а иногда и град). Образование различных форм облаков характеризует
многие атмосферные процессы, типичные для данного района. Результаты наблюдений за облачностью, получаемые на гидрометеорологических станциях, имеют важнейшее значение для синоптического анализа и прогноза погоды. Облака оказывают большое влияние на многие стороны деятельности человека, а также на растительный и животный мир Земли. Велика зависимость от облаков, туманов и осадков различных видов транспорта, в первую очередь авиации. Определение количества и формы облаков производятся визуально, без приборов. Точность наблюдений за облаками зависят от систематичности наблюдений за состоянием неба и его изменениями во времени. С помощью визуальных наблюдений можно определять не только количество и форму облаков, но и делать некоторые заключения об их микроструктуре, например, о наличии в них ледяных частиц.
Целью дипломного проекта является создание электронного атласа облаков, предназначенного для дистанционного интерактивного обучения 4
визуальному определению форм облаков.
В процессе работы над дипломным проектом необходимо решить следуещие задачи:
1) изучить основные параметры облаков и принципы их классификации;
2) рассмотреть основные параметры технических средств получения изображений;
3) описать принципы обмена информации через компьютерные сети;
4) разработать интернет­ресурс электронного атласа облаков.
В первой главе приводятся принципы классификации облаков, а также дается описание основных форм облаков, их видов и разновидностей.
Во второй главе рассмотрены облачные системы атмосферных фронтов. Представлена морфологическая и генетическая классификация осадков. Рассматривается эволюция форм облаков и характеристика переходных форм, сопровождающих эволюцию. Указаны возможности применения информации о форме облаков как местного признака погоды.
Третья глава посвящена описанию микроструктуры облаков и связанных с ней оптических явлений, таких как венцы, радуги и гало. Показывается, что оптические явления могут быть использованы для определения параметров микроструктуры облаков. В четвертой главе описываются основные характеристики современных цифровых фотоаппаратов, приведены значения технических параметров аппарата, используемого для получения изображений облаков.
В пятой главе приводится информация о принципе построения компьютерных сетей и способах обмена информацией. Подробно описывается язык разметки текста HTML, предназначенный для представления текстовой и 5
графической информации в компьютерных сетях. Дается детальное описание разработанного в ходе дипломного проектирования интернет­ресурса электронного атласа облаков.
Дипломный проект состоит из введения, 5 глав, заключения, 8 рисунков, 2 таблиц, 15 использованных источников и приложения.
6
1 Классификация облаков и их характеристики
1.1 Классификация облаков
Облака принято различать по их основным признакам, в соответствии с которыми существуют следующие классификации [1]:
1. Морфологическая классификация, в которой облака определяют по внешнему виду.
2. Генетическая классификация, в которой облака определяют по происхождению, т. е. по характеру процесса их образования.
3. Классификация по микрофизическому строению, т. е. классификация по агрегатному состоянию, виду и размерам облачных частиц, а также по их распределению внутри облака.
На гидрометеорологических станциях в практике метеорологических наблюдений принята морфологическая классификация. Эта классификация позволяет по данным наблюдений за формой и количеством облаков судить о стадии их развития и свойствах, а также об общем характере атмосферных процессов.
Морфологическая классификация включает в себя 10 основных форм (родов) облаков, которые в свою очередь разделяются на ряд видов и разновидностей [1].
Основной отличительный признак при определении формы облаков — их внешний вид и структура. Облака могут быть расположены в виде отдельных изолированных масс или сплошного покрова, их строение может быть 7
различным (однородным, волокнистым и др.), а нижняя поверхность — ровной или расчлененной (и даже изорванной). Кроме того, облака могут быть плотными и непрозрачными или тонкими, сквозь которые просвечивает голубое небо, луна и солнце. Все эти признаки характеризуют форму или внешнее строение облаков.
В зависимости от высоты нижней границы облаков их относят к одному из трех ярусов — верхнему, среднему или нижнему.
Особо выделяют облака вертикального развития — отдельные облачные массы, значительно простирающиеся по вертикали вверх. Их основание обычно находится в нижнем ярусе, а вершина может достигать среднего или даже верхнего яруса.
В соответствии с внешним строением и расположением облаков по ярусам их относят к одной из 10 основных форм, приведенных в таблице 1.1.
В этой классификации указаны пределы высот нижней границы облаков, обычные для умеренных широт. Фактическая высота облаков одной и той же формы непостоянна, она может несколько меняться в зависимости от характера процесса и местных условий. В среднем высота облаков больше на юге России, чем на севере, и больше летом, чем зимой. Над горными станциями облака располагаются ниже, чем над равнинными.
1.2 Описание основных форм облаков, их видов и разновидностей
Описание форм облаков дается для каждого яруса (см. таблицу 1.1), включающего в себя основные формы облаков, определяемые по внешним признакам, виды и разновидности (см. приложение А). При этом для ярусов 8
приводятся наиболее общие признаки облаков; для основных форм указывается внешний вид, высота основания, толщина слоя, оптические явления и прозрачность, осадки. Затем подробно рассматриваются виды и разновидности, связь основных форм с другими формами, характерные особенности по наблюдениям снизу и процессы их образования.
9
Таблица 1.1. – Классификация облаков по ярусам и основным формам
Латинское название Сокращенное формы облаков
название
Облака верхнего яруса (высота основания выше 6 км)
1. Перистые
Cirrus
Ci
2. Перисто­кучевые
Cirrocumulus
Cc
3. Перисто­слоистые
Cirrostratus
Cs
Облака среднего яруса (высота основания 2­6 км)
4. Высоко­кучевые
Altocumulus
Ac
5. Высоко­слоистые
Altostratus
As
Облака нижнего яруса (высота основания ниже 2 км)
6. Слоисто­кучевые
Stratocumulus
Sc
7. Слоистые
Stratus
St
8. Слоисто­дождевые
Nimbostratus
Ns
Облака вертикального развития
9. Кучевые
Cumulus
Cu
10. Кучево­дождевые
Cumulonimbus
Cb
Форма облаков
1.2.1 Облака верхнего яруса
Облака верхнего яруса представляют собой тонкие белые, высоко расположенные облака в виде волокнистого покрова, изогнутых перьев, волн или прозрачной белой вуали, затягивающей небо. Эти облака состоят из ледяных кристаллов в форме игл, шестигранных столбиков или пластинок [1].
К основным формам облаков верхнего яруса относятся перистые, перисто­кучевые и перисто­слоистые облака.
Перист ые облака Сi (Cirrus)
Внешний вид — отдельные белые волокнистые облака, обычно очень тонкие и прозрачные, иногда с более ее плотными или хлопьевидными 10
образованиями. Обычно наблюдаются в небольших количествах, иногда могут занимать и значительную часть неба.
Высота основания — в умеренных широтах составляет 7—10 км, изредка бывает меньше 6 км или больше 12; в тропиках достигает 17—18 км. В арктических районах при низкой температуре воздуха облака могут распространяться до поверхности земли.
Толщина слоя — колеблется в широких пределах, от сотен метров до нескольких километров. При самолетном зондировании высота верхней и нижней границ визуально определяется трудно ввиду разреженности облаков.
Оптические явления и прозрачность — перистые облака обычно прозрачны; сквозь них просвечивают солнце, луна и яркие звезды, а иногда и голубое небо. Днем они не уменьшают освещенности, а наземные предметы при них отбрасывают заметные тени. Около солнца и луны в этих облаках часто наблюдаются круги (гало) радиусом 22 и 46° или части этих кругов.
Осадки — мелкие ледяные кристаллы, из которых состоят перистые облака, могут медленно падать, но почти всегда испаряются на больших высотах, не достигая земли и образуя лишь полосы падения. В редких случаях при очень низких температурах (главным образом в арктических районах) ледяные кристаллы возникают и в нижнем слое атмосферы, но при выпадении измеримого количества осадков не дают (следы осадков).
Виды и разновидности Ci.
1) Вид Cirrus fibratus (Ci fib)—волокнистые, нитевидные. Волокна или нити облаков могут располагаться то более или менее параллельно, то причудливо перепутанным клубком.
Разновидности Ci fib:
11
а) Cirrus uncinus (Ci unc.) — ногтевидные. Параллельные нити облаков загнуты вверх и часто утолщены на одном конце;
б) Cirrus vertebrates (Ci vert.) — хребтовидные. Более уплотнена средняя часть облаков, от которой в обе стороны расходятся нити. Внешний вид напоминает скелет рыбы;
в) Cirrus intortus (Ci int.) — перепутанные. Беспорядочно перепутанные волокна облаков, разбросанных по небу в виде отдельных клубков или пятен.
2) Вид Cirrus spissatus (Ci sp.) — плотные. Имеет многочисленные белые уплотнения неправильной формы. Волокнистое строение Ci sp. выражено менее резко, чем у Ci fib.
Разновидности Ci sp:
а) Cirrus incus­genitus (Ci ing) — грозовые (послегрозовые). Образуются из наковален в виде разрозненных перистообразных скоплений волокнистой структуры;
б) Cirrus floccus (Ci floc.) — хлопьевидные. Уплотненные, имеют вид белых хлопьев, непосредственно соединенных (в отличие от Ac floc.) с окружающими нитями.
Облака Ci sp. с их разновидностями чаще всего являются остатками ледяных вершин распадающихся облаков Cb. Они могут быть достаточно плотными в ранней стадии образования, когда еще видна непосредственная связь Ci распадающимися Cb, в дальнейшем они становятся более разреженными.
Если связь Ci с распадающейся вершиной Cb очевидна и образовавшиеся перистые облака еще сохраняют очертания наковальни, то их принято считать грозовыми (послегрозовыми). Иногда такая разновидность образуется из еще не 12
распадающихся (развитых) облаков Cb inc., когда ветер на высотах срывает части наковальни.
Связь с другими формами. Перистые облака, увеличиваясь по количеству, могут непосредственно сменяться пеленой Cs, иногда существуют одновременно с Cc.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Большая высота и характерное волокнистое строение при наличии просветов голубого неба обычно позволяют легко отличить перистые облака от других форм облаков.
Перистые облака Ci можно спутать с перисто­слоистыми Cs, но последние отличаются тем, что образуют непрерывную пелену, достаточно однородную и обширную. При плохом освещении может показаться трудным различить по внешнему виду Ci и полосы падения Ac vir., от которых перистые облака отличаются волокнистым строением на большом протяжении, тогда как у Ac vir. нитевидные полосы падения занимают сравнительно небольшие участки неба и направлены вниз от плотной части облака.
Вечером, после захода солнца, Ci еще долго остаются освещенными, принимая серебристую, затем золотистую или красноватую окраску. Затем Ci постепенно сереют, при этом кажутся более плотными, чем днем. В безлунную ночь Ci невидимы или плохо различимы, поэтому особенно важно тщательное наблюдение за состоянием неба вечером. Утром, перед восходом солнца, Ci первыми из облаков освещаются и окрашиваются зарей.
Процессы образования. Охлаждение воздуха при восходящем движении в верхней тропосфере вызывает образование Ci в зоне атмосферных фронтов. В охлаждающемся воздухе происходит сублимация водяного пара и образование редких ледяных кристаллов. Мелкие ледяные кристаллы падают 13
весьма медленно и восходящими движениями воздуха могут переноситься на более высокие уровни. Ci могут образоваться также из вершин Cb при распаде этих облаков (Ci ing).
Перист о­кучевые облака Cc (Cirrocumulus)
Внешний вид — белые тонкие облака, состоящие из очень мелких волн, хлопьев или ряби (без серых оттенков), частично с волокнистым строением или непосредственно переходящие в покров Ci или Cs. Вне связи с Сi или Cs наблюдаются редко; чаще всего наблюдаются в небольших количествах.
Высота основания — в умеренных широтах колеблется в пределах от 6 до 8 км.
Толщина слоя — не превышает 200—400 м.
Оптические явления и прозрачность — Cc подобно Ci прозрачны; закрывая солнце, они почти не уменьшают освещенности. Голубое небо, просвечивающее через облака, придает им голубоватый оттенок. Солнце и луна хорошо просвечивают, при этом иногда наблюдаются гало, а также радужная окраска краев облака и отдельных его участков (иризация).
Осадки — из облаков Cc не выпадают.
Виды и разновидности Cc.
1) Вид Cirrocumulus undulates (Cc und.) — волнистые. Тонкие облака, характеризующиеся наличием волн или мелкой ряби. Волнистая структура иногда наблюдается лишь у отдельных скоплений облаков.
Разновидность Cc und:
а) Cirrocumulus lenticularis (Cc lent.) — чечевицеобразные. Вытянутые с гладкой поверхностью отдельные облака, утончающиеся к краям наподобие чечевицы. Иногда в отдельных частях облака удастся обнаружить признаки 14
ряби или нитевидного строения.
2) Вид Cirrocumulus cumuliformis (Cc cuf) — кучевообразные. Мелкие башенки или хлопья, растущие по вертикали.
Разновидность Cc cuf:
а) Cirrocumulus floccus (Cc floc.) — хлопьевидные. Нежные белые, часто полупрозрачные хлопья, разбросанные по небу или расположенные в виде небольших скоплений.
С перисто­кучевыми облаками иногда очень сходны следы, образующиеся за самолетами, летящими на большой высоте. Их можно назвать Cirrocumulus tractus (Cc trac.) — следы. При кодировании формы облаков следы самолетов не учитываются. Чаще всего они видны в виде узких полос, которые через некоторое время рассеиваются. Иногда следы самолетов сохраняются долго, сильно расплываются на значительном участке неба и распадаются на отдельные хлопья; тогда они становятся похожими на Cc floc., Ci vert. и даже на Ci inc. Такие трансформированные следы самолетов легко спутать с любой из перечисленных форм, поэтому надо внимательно следить за
их последовательными изменениями.
Связь с другими формами. Облака Cc обычно наблюдаются в соединении с облаками Ci или Cs. Возможны промежуточные переходные формы между низкими Cc и высокими Ас, однако различать и нетрудно, хотя тонкие края слоя Ас по внешнему виду и напоминают Cc.
Одновременно может наблюдаться слой Cc и похожий на них нижележащий слой Ас (или даже несколько слоев Ас на различных высотах).
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Облака Cc можно спутать только с высокими Ас, в отличие от которых Cc частично (особенно по 15
краям) имеют волокнистое строение. Кроме того, Cc часто переходят непосредственно в слой Ci или Cs или явно располагаются на одном уровне с этими облаками.
Если волокнистое или хлопьевидное строение перисто­кучевых облаков становится плохо выраженным и постепенно перерождается в волокнистую структуру, то их следует отнести уже к Ci fib.
Процессы образования. Облака Сс образуются при возникновении волновых и восходящих движений в верхней тропосфере. Часто Сс могут наблюдаться перед холодным фронтом 2­го рода и перед верхними холодными фронтами.
Перист о­слоист ые облака Cs
Внешний вид — белая или голубоватая полупрозрачная однородная пелена облаков, иногда слегка волокнистого строения. Пелена Cs, как правило, постепенно закрывает все небо.
Высота основания — в умеренных широтах в среднем около 6—8 км, в арктических районах при низких температурах воздуха существенно ниже.
Толщина слоя — колеблется от 100 м до нескольких километров. Верхняя и нижняя границы слоя Cs при наблюдении с самолета выражены нерезко.
Оптические явления и прозрачность — в облаках Cs часто наблюдается яркое гало вокруг солнца и луны, сквозь них просвечивает голубое небо, а ночью — яркие звезды. Иногда Cs настолько тонки и однородны, что их присутствие можно обнаружить только по наличию гало (а также при полете через них на самолете). По мере уплотнения Cs переходят в As.
Осадки — из облаков Cs не достигают земли, только при низких 16
температурах воздуха (например, в Восточной Сибири) Cs дают очень слабый снег или ледяные иглы.
Виды Cs: 1) Вид Cirrostratus fibratus (Cs fib.) — волокнистые. Белая пелена со слабо волокнистым строением. У Cs fib. в отличие от Ci fib. волокна выражены менее отчетливо и сочетаются с пеленой;
2) Вид Cirrostratus nebulosus (Cs neb.) — туманообразные. Однородная белая или голубоватая пелена, в некоторых случаях настолько тонкая, что обнаружить се можно только по наличию гало; чаще пелена довольно плотная и отчетливо различается наблюдателем.
Разновидности не выделяются. Связь с другими формами. Перисто­слоистые облака могут наблюдаться в соединении с перистыми и перисто­кучевыми. При надвижении фронтальной облачной системы облака Ci, увеличиваясь по количеству и постепенно закрывая все небо, сменяются Cs; в свою очередь Cs, уплотняясь и снижаясь, непосредственно сменяются As. Иногда слой As надвигается па фоне Cs самостоятельно, без видимой связи с последними.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Некоторые затруднения могут быть лишь при различении облаков Ci и Сs, а также Cs и As. Перисто­
слоистые облака Cs отличаются от перистых Ci тем, что их пелена однородна, непрерывна и не распадается на отдельные участки, разделенные промежутками голубого неба.
От высоко­слоистых облаков As перисто­слоистые облака Cs отличаются тем, что они почти прозрачны, в то время как сквозь As солнце и луна просвечивают тускло, как сквозь матовое стекло, и при этом в дневное время 17
тени от предметов становятся нерезкими или исчезают вовсе.
Процессы образования.
Облака
Cs образуются вследствие адиабатического охлаждения воздуха при его восходящем движении в верхней тропосфере в зонах атмосферных фронтов. Они особенно характерны для системы облаков теплого фронта, а также теплого фронта окклюзии, но могут наблюдаться и при прохождении других фронтов.
При очень низких температурах и малом содержании влаги в воздухе зимой в полярных районах могут образоваться на сравнительно малой высоте.
Дополнительные особенности расположения облаков верхнего яруса. Облака верхнего яруса могут иметь дополнительные особенности, которые при записи указываются после вида или разновидности. К ним относятся:
Basis (bas.) — скопление перистых облаков у горизонта в той части, откуда облака надвигаются. В направлении этого скопления (базы облаков) обычно находится центральная часть циклона. Между базой и горизонтом не может быть просвета голубого неба. База наблюдается чаще в западной половине горизонта.
Radiatus (rad.) — радиальные полосы перистых облаков, которые вследствие перспективы кажутся сходящимися в одной или в двух противоположных точках горизонта.
1.2.2 Облака среднего яруса
Облака среднего яруса представляют собой светло­серые, синевато­
серые, иногда белые облака в виде сплошной пелены или волн, пластин и хлопьев, значительно более крупных и массивных, чем у облаков верхнего яруса [1].
18
Облака среднего яруса состоят из переохлажденных капель воды или переохлажденных капель в смеси с ледяными кристаллами и снежинками. Сквозь облака среднего яруса солнце просвечивает слабо или вообще не просвечивает.
К основным формам облаков среднего яруса относятся высоко­кучевые и высоко­слоистые облака.
Высоко­кучевые облака Ас (Altocumulus)
Внешний вид — белые, иногда сероватые или синеватые облака в виде волн (гряд), состоящих из пластин или хлопьев. Последние обычно разделены просветами голубого неба, но иногда сливаются в почти сплошной покров.
Высота основания — в пределах от 2 до 6 км.
Толщина слоя — около 200—700 м.
Оптические явления и прозрачность — сквозь тонкие края Ас просвечивают солнце и луна, при этом вокруг них часто наблюдаются венцы.
Сквозь центральные части уплотнений в облаке (волн, пластин) солнце или луна обычно уже не просвечивают или просвечивают очень слабо. Если волны или пластины сливаются в покров, полностью закрывающий часть неба вблизи солнца, то оно обычно совсем не просвечивает. Края облаков, проходя вблизи солнца или луны, окрашиваются в слабые радужные тона (иризация).
Осадки — из облаков Ас иногда могут выпадать в виде отдельных капель дождя или отдельных снежинок. При Ас vir. наблюдаются метловидные полосы падения осадков, которые обычно не достигают поверхности земли вследствие испарения в подоблачном слое.
Виды и разновидности Ас
1) Вид Altocumulus (Ac und.) — волнистые. Располагаются рядами или 19
грядами различной протяженности; иногда наблюдаются на отдельных участках облачного покрова.
Разновидности Ас und.:
а) Altocumulus translucidus (Ac trans.) — просвечивающие. Состоят обычно из резко разграниченных элементов (волн, пластин), характеризуются неоднородной плотностью. Плотные участки светло­серого цвета чередуются с тонкими, более освещенными частями прозрачно­белого цвета. В тонких частях через облака могут просвечивать небесные светила или голубое небо;
б) Altocumulus opacus (Ac op.) — непросвечивающие плотные. Образуют почти сплошной слой, на нижней поверхности которого вполне отчетливо различимы темные волны, гряды или пластины;
в) Altocumulus lenticularis (Ас lent.) — чечевицеобразные. Отдельные, довольно плотные облака, чечевицеобразной или сигарообразной формы с гладкими очертаниями и волокнистой каймой. Иногда они сливаются в обширные массы, лишь местами включающие хорошо выраженные чечевицеобразные облака. Небольшие облака с гладкими очертаниями часто приобретают бледные радужные переливы (иризацию) вблизи солнца и лупы;
г) Altocumulus inhomogenus (Ас inh.) — неоднородные. Облака Ас называют неоднородными, если сплошной слой облаков местами имеет волнистое строение или обнаруживается два слоя облаков, близко расположенных один от другого. Эта разновидность облаков бывает переходной от Аs к Ас.
2) Вид Altocumulus cumuliformis (Ac cuf) — кучевообразные. Обособленные или слившиеся воедино массы высоко­кучевых облаков с признаками развития по вертикали.
20
Разновидности Ас cuf:
а) Altocumulus floccus (Ac floc.) — хлопьевидные. Белые, по краям разорванные хлопья облаков, сравнительно быстро меняющие свои очертания;
б) Altocumulus castellanus (Ac cast) — башенковидные. Белый или слегка сероватый слой (гряда) облаков, над которым выступают белые кучевообразные массы, растущие вверх наподобие небольших куполов или башенок, напоминающих уменьшенные Сu или Сb. Эти массы довольно быстро меняют свою форму. Иногда облака Ас cast. после своего появления утром быстро исчезают;
в) Altocumulus cumulogenitus (Ac cug) — образовавшиеся из кучевых облаков. Образуются из мощных кучевых или кучево­дождевых облаков (Cu cong. или Cb), когда их вершины, достигнув среднего яруса растекаются. Белые кучевообразные массы с плоскими, слипающимися между собой краями. Эти облака легко определить, следя за развитием и изменением кучевых облаков. В ранней стадии образования Ас хорошо заметна их связь с облаками, из которых они образовались.
г) Altocumulus virga (Ас vir.) — с полосами падения осадков. Отчетливо различающиеся в облаках волокнистые полосы падения осадков, обычно направленные от облака наклонно или прямо вниз, а затем загибающиеся вследствие неодинаковой скорости ветра на различных высотах.
Связь с другими формами облаков. В некоторых случаях наблюдаются переходные формы между высокими Ас и Cc, от которых Ас отличается большими видимыми размерами отдельных элементов, более тусклой сероватой окраской и отсутствием связи с Ci и Cs. Ас могут наблюдаться одновременно с Аs или переходить в них (это чаще происходит с 21
разновидностью Ас ор.) и, наоборот, Ас могут образоваться из покрова Аs при его распаде благодаря возникновению воздушных волн на уровне облачного слоя. Уплотняясь и опускаясь, Ас переходят в облака Sс, с которыми они имеют много общего.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. В большинстве случаев облака Ас легко определяются по характерным очертаниям и светлой окраске. Иногда возникают трудности в различении форм Ас и Аs, Ас и Sс, Ас и Cc.
Высоко­кучевые облака Ас в отличие от облаков Аs не образуют сплошного однородного серого покрова и не имеют волокнистого строения, создаваемого полосами падения осадков (в разновидности Ас vir. полосы падения занимают небольшие участки неба). Переходная форма между Ас и Аs отмечается как Аs (Ас) или как Ас inh., если на основном сером фоне слоя облаков можно различить волны или пластины.
Слоисто­кучевые облака Sc отличаются от облаков Ас тем, что они расположены ниже, более плотные, имеют серый или темно­серый цвет. При недостаточно уверенных определениях высоты нижней границы облаков, чтобы отличить Ас от Sс, пользуются следующим приемом: если размеры облачных элементов (волн или пластин) по внешнему виду меньше десяти видимых диаметров солнца (могут быть закрыты тремя пальцами вытянутой руки, если смотреть одним глазом), то облака считают высоко­кучевыми; если размеры отдельных элементов облаков крупнее, то их считают слоисто­кучевыми.
Процессы образования. Большое количество разновидностей высоко­
кучевых облаков возникает вследствие многообразия процессов их образования. К основным процессам относятся следующие:
22
1) Волновые движения воздуха на высоко расположенных границах инверсии (в частности, перед холодными фронтами и фронтами окклюзии), а также волновые движения на слабо наклоненных фронтальных поверхностях. При этих процессах наиболее характерно образование разновидностей Ас ор., Ас lent„ Ac trans.
2) Волновые движения над горными препятствиями, когда образуется разновидность Ас lent.
3) Растекание мощных кучевых облаков в слое 2—5 км, особенно при наличии инверсии. В результате этого процесса образуются главным образом Ас сug, которые на более поздней стадии развития могут перейти в Ас trans. или Ас ор.
4) Конвективные движения воздуха в слое выше 2 км, когда чаще всего образуются разновидности Ас flog. и Ас cast.
Высоко­слоист ые облака Аs (Altostratus)
Внешний вид — серая или синеватая однородная пелена облаков, местами слегка волокнистой структуры, создаваемой полосами падения осадков. На нижней поверхности пелены Аs иногда заметны слабо выраженные волны и борозды. Пелена As, как правило, постепенно закрывает все небо.
Высота основания — в пределах от 3 до 5 км.
Толщина слоя — в среднем около 1 км, изредка до 2 км.
Оптические явления и прозрачность — солнце и лупа просвечивают сквозь облака слабо, как через матовое стекло. Тени от предметов на земле нерезкие или отсутствуют. В тонких Аs отмечаются венцы около солнца и луны.
Осадки — выпадают, но в средних и южных широтах летом обычно не 23
достигают поверхности земли вследствие испарения. Зимой Аs часто дают снег.
Виды и разновидности Аs.
1) Вид Altostratus nebulosus (As neb.) — туманообразные, в виде однородного серого слоя.
2) Вид Altostratus undulates (As und.) — волнистые. Эти облака имеют заметно волнистое основание и волокнистое строение (хотя бы в отдельных частях облака).
Разновидности As neb. и As und.:
а) Altostratus translucidus (As trans.) — просвечивающие. Напоминают плотные перисто­слоистые облака, однако имеют заметно более серый цвет и явно расположены ниже их. Через эти облака солнце и луна просвечивают, как сквозь матовое стекло; на земле иногда могут появляться слабые тени от предметов;
б) Altostratus opacus (As op.) — непросвечивающие. Однородный покров серого цвета, часто переменной плотности, что отмечается по степени их освещенности (местами облака темнее, местами светлее). Через эти облака солнце и луна не просвечивают, но местоположение их можно определить по расплывчатому светлому пятну на облаке;
в) Altostratus praecipitans (As pr.) — дающие осадки. Осадки обычно бывают небольшой интенсивности, непрерывными или перемежающимися. В летнее время осадки часто не достигают земли.
Связь с другими формами. Высоко­слоистые облака Аs при уплотнении и снижении непосредственно переходят в слоисто­дождевые облака Ns. Облака Аs являются как бы промежуточным звеном между облаками Сs и Ns, 24
В системе облаков теплого фронта они надвигаются после Сs, а при уплотнении переходят в Ns; в системе облаков холодного фронта 1­го рода они проходят после Ns и, становясь постепенно все более тонкими, переходят в Сs. Переход этот может быть непосредственным, но иногда он происходит при последовательной смене облачных слоев, разделенных частично безоблачными промежутками, наиболее характерными для распадающихся фронтальных облачных систем.
Облака Аs могут быть отмечены в сочетании с Ас, причем возможны взаимные переходы (Аs в Ас и Ас в Аs), а также в соединении с мощными Cb фронтального происхождения.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. В некоторых случаях оказывается трудным отличить Аs от Сs, Ас, Ns и даже St.
Высоко­слоистые облака Аs по сравнению с облаками Сs более плотные и низкие. Днем Аs имеют сероватый или голубоватый цвет и значительно сильнее затеняют солнце. По сравнению с Ас облака Аs выглядят более однородной сплошной пеленой, без просветов. Даже если пелена AS и обрывается в той или иной части неба (это бывает на краю облачной системы), то в той части их покрова, которая доступна обозрению, нет ни просветов, ни расчленения на отдельные пластины. Если же такое расчленение можно обнаружить, но по остальным признакам облака должны быть отнесены к Аs, то они отмечаются как переходная форма между Аs и Ас, т. е. записывается: Аs (Ас).
Облака Аs отличаются от облаков Ns большей высотой расположения, меньшей плотностью и светлым тоном. Осадки из Аs не всегда достигают земли, особенно летом. Плотный покров с основанием на уровне около 2 км 25
при отсутствии осадков может также отмечаться как Аs ор., но при наличии осадков должен уже отмечаться как Ns. Однако наличие осадков само по себе не должно быть единственным определяющим признаком: если светлые, тонкие облака и находятся на большей высоте, но в то же время дают осадки (что особенно часто наблюдается зимой), то они отмечаются как As.
Иногда бывает трудно отличить Аs от светлых, приподнятых St, особенно если нет надежных определений высоты нижней границы облаков. Отличительным признаком в этом случае служит то, что нижняя поверхность Аs обычно ровная, а St чаще разорванная; кроме того, покров Аs имеет обычно волокнистую структуру, которой не бывает у St.
Процессы образования. Облака Аs образуются вследствие охлаждения воздуха при его общем наклонном медленном восходящем движении. Этот процесс обычно происходит вследствие притока теплого воздуха, который поднимается, скользя по наклонной поверхности более плотной холодной воздушной массы (теплый фронт и теплый фронт окклюзии). Аналогичный процесс может наблюдаться у холодных фронтов, чаще всего у холодного фронта 1­го рода.
В отдельных случаях наклонные восходящие движения воздуха могут происходить в атмосфере при отсутствии фронта у поверхности земли, а также при наличии только верхнего фронта. В таких случаях Аs могут возникать без явной связи с приземными фронтами; тогда они образуют отдельные, сравнительно тонкие слои в атмосфере.
В полярных районах при низкой температуре воздуха хорошо выраженные Аs иногда образуются на сравнительно малых высотах вследствие радиационного охлаждения.
26
1.2.3 Облака нижнего яруса
Облака нижнего яруса имеют вид низких серых тяжелых гряд, валов или пелены, закрывающей небо сплошным покровом. Солнце не просвечивает сквозь них или изредка слабо просвечивает через тонкие их края. Состоят из капель, при отрицательных температурах — из переохлажденных капель или из смеси их с кристаллами и снежинками. К облакам нижнего яруса относятся три основные формы: слоисто­кучевые, слоистые и слоисто­дождевые облака [1].
Слоист о­кучевые облака Sc (Stratocumulus)
Внешний вид — серые облака, состоящие из крупных гряд (волн), пластин или глыб, разделенных просветами или сливающихся в сплошной серый волнистый покров неодинаковой плотности.
Высота основания — в пределах 0.5—1.5 км.
Толщина слоя — от 0.2 до 0.8 км.
Оптические явления и прозрачность — при сплошном покрове плотных Sс солнце не просвечивает, поэтому определить его местоположение трудно. Если в облаках имеются просветы или тонкие части у краев облака, то солнце и луна могут временами просвечивать, причем иногда образуются венцы.
Осадки — из большинства разновидностей Sс не выпадают. Из непросвечивающих слоисто­кучевых облаков Sс ор. могут выпадать слабые непродолжительные осадки в виде дождя или редкого снега (зимой иногда и из Sс и из trans). Виды и разновидности Sс.
1) Вид Stratocumulus undulates (Sc und.) — волнистые. Чередующиеся 27
гряды (валы), разделенные промежутками или сливающиеся друг с другом.
Разновидности Sc und.:
а) Stratocumulus transcumulus (Sc trans.) — просвечивающие. Элементы облаков (гряды, пластины или глыбы) располагаются неплотно, не сливаясь друг с другом. В промежутках между ними виден верхний слой облаков или голубое небо. В некоторых случаях явных разрывов в облачном покрове нет, но имеются значительно более тонкие и поэтому более освещенные участки;
б) Stratocumulus opacus (Sc op.) — плотные. Слой темно­серых плотных облаков, состоящих из сливающихся глыб или пластин. Когда элементы облаков Sс ор. сливаются совершенно, а слой становится однородным, то облака переходят в слоиcто­дождевые Ns или слоистые St. Облака Sс сохраняются до тех пор, пока нижняя их поверхность достаточно отчетлива и на ней определенно можно различить валы, гряды или отдельные пластины;
в) Stratocumulus lenticularis (Sc lent.) — чечевицеобразные. Отдельные, сравнительно плоские, вытянутые в длину чечевицеобразные облака. Наиболее часто они встречаются в полярных странах, иногда образуются у крутых подветренных склонов возвышенностей или гор.
2) Вид Stratocumulus cumuliformis (Sc cuf.) — кучевообразные. Имеют более или менее явные признаки их развития по вертикали.
Разновидности Sc cuf:
а) Stratocumulus castellanus (Sc cast.) — башенковидные. Слоисто­кучевые облака, местами растущие вверх в виде башенок и куполов или похожие на пузырчатую пену (верхняя часть облаков). Они имеют сходство с кучевыми облаками, но отличаются тем, что представляют собой не отдельные четко очерченные облака, а некоторый слой (подобно другим видам Sс), из которого 28
растут башни. Эти облака типичны для предгрозового состояния неба. При дневном развитии Sc cast. могут превращаться в Cu cong.;
б) Stratocumulus diurnalis (Sc diur.) — растекающиеся дневные. Образуются из кучевых облаков при их растекании, только растекание происходит не в среднем, а в нижнем ярусе (под границей инверсии, расположенной достаточно низко) в виде протяженного горизонтального слоя облаков или вытянутых гряд. В начальной стадии образования ясно видна их связь с Cu, отдельные вершины которых могут выступать из слоя Sс длительное время;
в) Stratocumulus vesperalis (Sc vesp.) — растекающиеся вечерние. Возникают вечером при обычном растекании кучевых облаков в связи с ослаблением восходящих движений воздуха (конвекции). Имеют вид плоских удлиненных гряд облаков, образующихся при оседании вершин кучевых облаков и растекании их оснований;
г) Stratocumulus mammatus (Sc mam.) — вымеобразные. На основании имеют выпуклости, направленные вниз.
Связь с другими формами. Слоисто­кучевые облака Sс могут наблюдаться одновременно с высоко­кучевыми Ас. Ряд разновидностей Sc cuf. образуется при распаде Сu или Сb. При наблюдениях важно отделить случаи, когда растекание Сu или Си cong. вызвано общим увеличением устойчивости стратификации атмосферы, что сопровождается образованием Sc diur., от тех случаев, которые связаны лишь с обычным вечерним прекращением конвекции, что приводит к образованию Sc vesp. Кроме того, Sс при усиливающейся конвекции могут развиваться в кучевые облака, особенно часто это происходит с Sc cast. При приближении фронта облака Sс могут смениться на Ns, что 29
сопровождается выпадением обложных осадков. Наоборот, при ослаблении процессов конденсации фронтальные Ns могут перейти в Sс. При ослаблении волновых движений и преобладании турбулентного перемешивания Sс могут перейти в St.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Отличительным признаком слоисто­кучевых облаков Sc служит внешний вид, малая высота основания, четко очерченная нижняя поверхность и в большинстве случаев отсутствие осадков или их небольшая продолжительность. При определении Sс могут возникнуть трудности в различении их от Ас, Ас ор., St, Ns и, наконец, от Сu.
Наиболее существенные признаки: облака Sс располагаются более низко и состоят из более крупных элементов. Условно принимается, что видимый размер элементов Sс превышает десятикратный диаметр солнца. Sс ор. отличаются от Аs ор. главным образом по высоте их расположения. Кроме того, у Аs меньше выражено волнистое строение, а волны, не имея правильного чередования, представляют собой отдельные вытянутые по горизонтали уплотнения неправильной формы. Sc ор. имеют вид правильных волн. Аз часто имеют волокнистое строение, которого не бывает у Sс. Цвет покрова Аs синеватый, серый или желтовато­серый.
Облака Sc ор. обычно отличаются от облаков Ns волнистым строением и отсутствием осадков. Полезно при различении Sс от Аs и Ns учитывать тип погоды, поскольку Аs и Ns являются преимущественно облаками фронтальных систем, тогда как Sс образуются в большинстве случаев внутри однородных воздушных масс. Знание предшествующей истории облачной системы позволяет более точно определить форму облаков.
30
Облака Sс отличаются от облаков St большей высотой основания и более ярко выраженной волновой структурой.
Облака Sс отличаются от Сu (которые иногда располагаются грядами) большой длиной гряд и отсутствием куполообразных вершин (кроме разновидности Sc cast., у которой выступающие купола и башни сравнительно невелики и быстро меняют очертания).
При растекании Сu их следует считать перешедшими в Sс, когда облака образуют достаточно однородный и плоский слой или гряды.
Может наблюдаться и переходная форма облаков Sс (Сu), если переход одной формы в другую совершился неполностью.
Процессы образования. К основным процессам, вызывающим образование слоисто­кучевых облаков, можно отнести следующие:
1) Волновые движения в слоях инверсий, расположенных ниже 2 км над поверхностью земли.
2) Растекание Сu или Cu cong. в слое под инверсиями ниже 2 км.
3) Волновые движения, которые возникают над подветренным склоном возвышенностей и приводят к образованию Sc lent.
4) Волновые движения в сочетании оседанием отдельных, сравнительно небольших объемов воздуха, которые появляются при затухании конвекции в Cb, а иногда и в имеющемся слое Sс, приводят к образованию Sc mam.
5) Конвективные движения, развивающиеся в слое Sс, приводят к образованию Sc cast.
Слоист ые облака St (Stratus)
Внешний вид — однородный слой серого или желто­серого цвета, сходный с 31
туманом, приподнятым над поверхностью земли. Часто нижняя поверхность этого слоя бывает разорванной, клочковатой. Обычно слоистые облака закрывают все небо серой пеленой, но иногда могут наблюдаться и в виде разорванных облачных масс.
Высота основания — обычно в пределах от 0.1до 0.7км, но иногда облака сливаются с наземным туманом.
Толщина слоя — обычно от 0.2 до 0.8 км.
Оптические явления и прозрачность — солнце и лупа через слоистые облака обычно не просвечивают. Если облака очень тонки или разорваны, то через их края солнце или луна могут временами просвечивать. Через тонкие St солнце просвечивает в виде белого резко очерченного диска без всякого ореола.
Иногда может выпадать морось или мелкие снежные зерна (мелкий снег), которые заметно ухудшают видимость.
Виды и разновидности St.
1) Вид Stratus nebulosus (St neb.) — туманообразные. Однородный серый или желто­серый слой облаков. Иногда располагается так низко, что закрывает верхние части высоких наземных предметов, ослабляя их видимость.
2) Вид Stratus undulates (St und.) — волнистые. Однородный по структуре, серый или желто­серый слой облаков, па нижней поверхности которого можно различить слабо выраженные волны. Эти волны вследствие их большой длины и низкого расположения облаков иногда заметны лишь в виде правильного чередования более темных и более светлых мест в облаке.
3) Вид Stratus fractus (St fr.) — разорванные. Могут быть в виде клочьев, скопления отдельных облаков с разорванными краями, более или менее сплошного клочковатого покрова со свисающими вниз лохмотьями.
32
Разновидность St fr.:
Fractonimbus (Frnb) — разорванно­дождевые. Низкие, серые, мрачные изорванные облака плохой погоды. Образуются под слоем облаков, дающих осадки (As, Ns, Сb и Sс ор.), и встречаются лишь в сочетаниях с этими облаками, обычно видными в разрывах. Могут образовать и почти сплошной слой, закрывающий вышележащие облака. Однако сами осадков не дают, а только пронизываются осадками, выпадающими из вышележащих облаков.
Связь с другими формами. Облака St могут образоваться при снижении облаков Sс или перейти в облака Sс. При значительной вертикальной мощности и сильном развитии турбулентности в атмосфере облака St могут слиться с вышележащими. Чаще всего это происходит с Frnb, которые сливаются в один слой с облаками Ns. Облака St fr. утром при отсутствии более высоких облаков могут превратиться в кучевые, если поверхность земли прогревается и развивается конвекция.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Иногда бывает трудно различить St и Аs, St и Sc, St и Nb.
Кроме того, следует отметить, что у облаков St, даже St und, волнистое строение выражено очень слабо и с трудом различается, так как волны имеют большую длину, а облака расположены низко.
По внешнему виду облака St похожи на облака Ns. Их различают по следующим признакам:
а) St располагаются обычно ниже, чем Ns, а иногда даже закрывают верхние части высоких наземных предметов, ослабляя их видимость;
б) St имеют более светло­серый цвет, чем Ns, различных оттенков соответственно большей и меньшей толщине участков облака. Строение St 33
более однародное, чем Ns;
в) St никогда не дают обложных осадков.
При определении облаков полезно также учитывать тип погоды. St образуются преимущественно внутри однородных воздушных масс и часто, имея небольшую толщину, являются облаками местного происхождения. В отличие от них облака Ns и Аs наблюдаются обычно на атмосферных фронтах. Исключение составляет разновидность Frnb, которая характерна для фронтальных систем облаков.
Процессы образования. К основным процессам образования облаков St могут быть отнесены следующие:
1) Охлаждение относительно теплого воздуха при движении его над холодной подстилающей поверхностью.
2) Радиационное выхолаживание нижнего слоя воздуха в течение ночи или нескольких суток подряд.
3) Охлаждение при восходящем движении воздуха вдоль почты горизонтальных участков фронтальных поверхностей или пологих возвышенностей.
4) Увлажнение воздуха выпадающими из вышележащих облаков осадками.
5) Перенос водяного пара турбулентными движениями вверх в подынверсионном слое и конденсация избытка пара в верхней части слоя. Возможна также диффузия водяного пара в подынверсионный слой сверху из теплой воздушной массы, если она более влажная, чем нижний слой воздуха. Поэтому большое значение для образования облаков St имеет наличие слоя инверсии температуры, расположенного на небольшой высоте над поверхностью 34
земли.
6) Конденсация водяного пара в сравнительно холодной воздушной массе над теплыми водоемами или теплыми течениями в открытом море. Облака St при этом формируются из приподнятого тумана.
Слоист о­дож девые облака Ns (Nimbostratus)
Внешний вид — темно­серый облачный слой, иногда с желтоватым или синеватым оттенком. При осадках слой облаков кажется однородным, в перерывах между выпадениями осадков заметна его неоднородность и даже некоторая волнистость. Основание облаков Ns всегда размыто полосами выпадения осадков так, что точно установить положение нижней поверхности облаков бывает затруднительно.
Облака Ns обычно закрывают все небо без просветов. Одни Ns наблюдаются сравнительно редко; чаще под их слоем образуются разорванно­
дождевые облака Frnb, частично или даже полностью скрывающие основной слой Ns.
Высота основания — отмечается в пределах от 0.1 до 1 км, ниже всего вблизи линии фронта.
Толщина слоя — обычно отмечается в пределах от 2 до 3 км, но иногда достигает 5 км и даже больше. Однако наблюдаются случаи, когда толщина слоя Ns не превышает 1—2 км и между ними и вышележащими Аs имеется безоблачная прослойка.
Оптические явления и прозрачность — облака плотные, солнце и луна через них не просвечивают и даже приближенно не удается указать их местоположение на небе.
Осадки — выпадает обложной дождь или снег, иногда с перерывами, 35
изредка — ледяной дождь.
Виды и разновидности Ns не выделяются.
Связь с другими формами, облаков. Обычно Ns образуются из Аs, слой которых постепенно уплотняется (от As trans. переходит в Аs ор. и в Аs pr.) и снижается вплоть до превращения в Ns. Переход от Аs op. к Ns постепенный, поэтому резкой грани между ними нет. Хорошим признаком совершившегося перехода является выпадение устойчивых обложных осадков. Ns могут образоваться из Sc ор. В этом случае элементы Sс (отдельные хлопья, пластины или волны) постепенно сливаются между собой, облака снижаются и преобразуются в Ns. Переход считается завершившимся тогда, когда волнистая структура, присущая Sc, полностью исчезает и вследствие появления полос выпадения осадков нижняя поверхность облаков перестает быть четко различимой.
Иногда наблюдается связь Ns с Сb. При надвижении холодного фронта 1­го рода вал предфронтальных Сb непосредственно переходит в Ns, а ливневые осадки сменяются обложными. В некоторых случаях связь Сb и Ns бывает и на холодных фронтах 2­го рода. В теплом фронте, особенно летом, наблюдается переход Ns в Сb: отдельные участки облаков Ns, сильно развиваясь по вертикали, постепенно приобретают все признаки Сb; выпадающие из них осадки получают характер ливневых.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Основным признаком, по которому безошибочно определяются Ns, служит выпадение обложных осадков. Этот признак помогает обнаружить Ns даже тогда, когда они снизу маскируются разорванно­дождевыми облаками Frnb. Однако иногда осадки не достигают поверхности земли вследствие испарения. В этих случаях облака Ns 36
отличаются от Аs ор. главным образом по трем основным признакам: – значительно более темному цвету; – непрозрачности облаков (солнце и луна не просвечивают); – размытости основания облаков. Эти же признаки отличают облака Ns от Аs pr. в тех случаях, когда осадки из Аs рг. достигают земли.
Следует отличать слой Nb от Сb большого размера, который, надвигаясь, может на короткое время полностью закрыть небо над пунктом наблюдения. Такая ошибка особенно вероятна, если обзор с места наблюдений сильно ограничен. В этом случае отличительным признаком будет служить характер осадков. Помогает также наблюдение за предшествующим состоянием неба: Ns появляются на фоне сплошной облачности (после Аs или Ас ор.), а Сb надвигаются при наличии просветов голубого неба.
Процессы образования. Основным процессом образования слоисто­
дождевых облаков является охлаждение воздуха при его восходящем движении вдоль наклонной фронтальной поверхности вблизи линии фронта.
Подобное восходящее наклонное движение воздуха может наблюдаться и вне заметной связи с линиями приземных фронтов (вдоль верхних фронтов, в широких фронтальных зонах и т. д.).
1.2.4 Облака вертикального развития Облака вертикального развития имеют вид отдельных плотных облачных масс, сильно развитых по вертикали. Их основание обычно располагается в нижнем ярусе, а вершина — иногда в среднем и даже верхнем ярусе облаков. Основание этих облачных масс плоское, вершины имеют вид куполов с 37
выпуклостями или громоздящихся облачных гор и башен. Один из отличительных признаков: вершины облаков всегда ослепительно белого цвета, а основание белого, сероватого или темно­серого цвета [1].
К облакам вертикального развития относят две основные формы: кучевые Сu и кучево­дождевые Сb облака.
Кучевые облака Сu (Cumulus)
Внешний вид — плотные, развитые по вертикали облака с белыми куполообразными или кучевообразными вершинами и с плоским сероватым или синеватым основанием.
Обычно кучевые облака имеют резкие очертания, но при сильном порывистом ветре края их могут быть разорванными. Иногда эти облака бывают сравнительно плоскими.
Кучевые облака могут быть в виде отдельных редко расположенных облаков или значительных скоплений, закрывающих почти все небо.
Отдельные кучевые облака чаще всего располагаются беспорядочно, но иногда образуют гряды или цепочки. При этом основания отдельных облаков находятся на одном уровне.
Высота основания — в умеренных широтах обычно от 0.8 до 1.5 км. Однако может колебаться в довольно широких пределах в зависимости от значений относительной влажности у земли, увеличиваясь при ее уменьшении и в сухие жаркие периоды достигая 2.5—3.0 км и даже больше.
Вертикальная протяженность — от сотни метров до нескольких километров.
Оптические явления и прозрачность — центральные части кучевых облаков полностью закрывают солнце, края же просвечивают, причем изредка 38
образуются венцы.
Осадки — обычно не выпадают. В умеренных широтах из Сu иногда могут выпадать отдельные капли дождя или очень кратковременный редкий дождь (иногда за время падения капель па землю отдельное облако, из которого они выпали, уже рассеивается; такой дождь называют «дождь из ясного неба»). В тропических странах из Сu иногда выпадают ливневые дожди.
Виды и разновидности Сu:
1) Вид Cumulus humilis (Cu hum.) — кучевые плоские. Мало развиты по высоте; кажутся плоскими, так как их вертикальная протяженность меньше горизонтальных размеров. Наблюдаются преимущественно в теплое время года, в хорошую установившуюся погоду («облака хорошей погоды»). Обычно они возникают утром, достигают наибольшего развития в околополуденные часы и к вечеру растекаются, переходя часто в слоисто­кучевые вечерние облака. Изредка (в умеренных широтах над сушей) встречаются и зимой.
Разновидность Cu hum.:
а) Cumulus fractus (Cu fr.) — кучевые разорванные. Кучевые облака, имеющие разорванный, клочковатый вид. Иногда Cu fr. бывают начальной стадией образования Сu hum. (хорошей погоды) или являются продуктами их распада. В этом случае отдельные разорванные облака остаются на значительных расстояниях друг от друга, выделяясь своим белым цветом на синем небе. Очертания их быстро меняются, плоское основание не четко выражено или вообще не обнаруживается.
Сu fr. отмечаются и при плохой погоде, обычно в сочетании с St fr. (Frnb) или Sс. В этом случае Cu fr. не имеют связи с Сu hum.
39
2) Вид Cumulus mediocris (Cu med.) — кучевые средние. Переходная форма между плоскими облаками Сu hum. и мощными Сu cong. Когда Сu hum. начинают расти в высоту и утрачивают приплюснутый вид, но еще не достигают значительного развития, их следует отмечать как Сu med. Признаком при этом служит отношение вертикальной протяженности облака к длине его основания: если по вертикали оно меньше, чем в длину, то облако следует считать плоским (Сu hum.); если вертикальные размеры примерно равны длинt или больше ее, облака нужно отмечать как Сu med. Второй признак Cu med. — их вершины больше клубятся, чем у Сu hum., и имеют вид бугорчатого купола (напоминают цветную капусту).
3) Вид Cumulus congestus (Cu cong.) — кучевые мощные. Сильно развитые по вертикали облака, толщиной в 1,5—2 раза превышающей размеры основания. Вершины облаков ослепительно белые и сильно клубятся, основания затемнены. При особенно сильном развитии Cu cong. не остаются изолированными массами, а сливаются в большие группы. В результате образуются сложные нагромождения Сu разной мощности, которые затем обычно преобразуются в Сb.
Разновидность Cu cong.
Когда вершины Cu cong., разрастаясь вверх, достигают уровня высоко­
кучевых облаков, они покрываются иногда тонкой белой размытой вуалью. В этом случае отмечают разновидность:
а) Cumulus congestus pileus (Cu cong. pil.) — мощные кучевые облака с шапочкой. Эта шапочка в виде обрывка пелены или вуали обычно располагается горизонтально или несколько приподнята к вершине облака.
Связь с другими формами — развиваясь, Cu могут превратиться в Cb. 40
Иногда Cu и Cb наблюдаются одновременно.
Весной и летом облака Cu могут наблюдаться на фоне любых других облаков, если эти облака не препятствуют прогреванию поверхности земли и развитию дневной термической конвекции. При теплой погоде утром кучевые облака могут образоваться из St fr.
Распадаясь, Cu могут перейти в Sc или Ас или, пройдя стадию Cu fr., рассеяться совсем.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Если кучевые облака находятся в стороне от наблюдателя, он видит их от основания до ослепительно белых клубящихся вершин. В этом случае правильно определить форму облака не представляет никаких затруднений. Если же облака располагаются у зенита или ими покрыта большая часть неба, то наблюдается только их нижняя поверхность, которая всегда имеет некоторые неровности, а иногда и рваные края. В этом случае их легко спутать со слоисто­кучевыми или плотными кучево­дождевыми облаками.
Кучевые облака Cu в отличие от слоисто­кучевых облаков Sc не образуют непрерывного слоя. Покров Cu всегда разделяется на отдельные облака, в промежутках между которыми видны их бугристые, резко очерченные края, уходящие в высоту. Центральная часть отдельных облаков может быть темной (серого или темно­серого цвета, в зависимости от их мощности), а освещенные края — ярко белого цвета в виде светлой или блестящей каймы, в зависимости от расположения облаков относительно солнца.
В сплошных длинных валах вершины Cu сохраняют разную высоту.
Иногда трудно отличить мощные Cu cong. от Cb, имеющих не только 41
внешнее сходство, но и сходство процесса образования. Условно принято считать облака кучево­дождевыми Cb, когда их вершина приобретает отчетливо волокнистое строение («обледеневает»), а также, когда начинается выпадение ливневых осадков или заметны полосы падения осадков (хотя бы и не доходящих до поверхности земли).
Процессы образования — кучевые облака Cu образуются главным образом в результате мощных восходящих движений воздуха, вызванных неравномерным нагревом подстилающей поверхности (термическая конвекция). Над морем образованию Cu содействует ночное радиационное выхолаживание верхней части слоя влажного воздуха расположенного над сравнительно теплой водной поверхностью.
Кучево­дож девые облака Cb (Cumulonimbus)
Внешний вид — белые облака с темными, иногда синеватыми основаниями, поднимающиеся в виде огромных горообразных облачных масс с вершинами, имеющими по большей части волокнистое строение (сходство с перистыми облаками). В холодное время года могут быть более плоскими, Часто наблюдаются в виде сравнительно редких отдельных облаков, что может быть и скопление их или даже облачный вал из Cb (при прохождении холодного фронта). Все небо не закрывают, между отдельными облаками имеются просветы. В отдельных случаях, при скоплении этих облаков или облачного вала, весь видимый небосвод может быть закрыт на короткое время.
Высота основания — в пределах от 0.4 до 1.0 км.
Вертикальная протяженность — обычно от 3 до 4 км, иногда вершина Cb достигает тропопаузы.
Оптические явления и прозрачность — солнце и луна сквозь облака Cb 42
совершенно не просвечивают. При выпадении ливневого дождя часто наблюдается радуга.
Осадки — всегда имеют бурный, ливневый характер; летом выпадают в виде крупнокапельного дождя или града, осенью и весной — в виде ледяной и снежной крупы, зимой — в виде ливневого снега, часто мокрого (хлопьями) и снежной крупы, большей частью сильной и кратковременной. В отдельных случаях при большой сухости нижних слоев воздуха осадки не достигают поверхности земли вследствие испарения, тогда под Cb видны полосы падения. Часто в Cb наблюдается гроза.
Виды и разновидности Cb.
1) Вид Cumulonimbus calvus (Cb calv.) — «лысые». Вершины не имеют перистовидной верхней части и похожи на округлые белоснежные купола слегка волокнистого строения.
Разновидность Cb calv.:
а) Cumulonimbus arcus (Cb calv. Arc.) — «лысые с грозовым валом». Отмечается, когда в передней части надвигающегося облака образуется дугообразный облачный вал (состоящий обычно из завихренных, быстро несущихся Cu fr и Frnb), прохождение которого сопровождается шквалом — внезапным резким усилением ветра.
2) Вид Cumulonimbus capillatus (Cb cap.) — «волосатые». Имеют хорошо выраженное волокнистое перистовидное строение верхней части. Перистовидные волокна обычно постепенно распространяются по горизонтали, приобретая в надвигающемся облаке подобие веера, а при наблюдении сбоку — наковальни.
Разновидности Cb cap.:
43
а) Cumulonimbus capillatus arcus (Cb cap.arc.) — «волосатые с грозовым валом». Признаки этой разновидности такие же, как для Cb calv.;
б) Cumulonimbus incus (Cb inc.) — с наковальней. Отмечается, когда верхняя обледеневшая часть облака растекается в стороны и приобретает вид гигантской наковальни над верхней частью облака. На нижней поверхности облака иногда возникают вымеобразные выпуклости, направленные вниз. В таких случаях отмечается разновидность mammatus;
в) Cumulonimbus humilis (Cb hum.) — плоские. Имеют все характерные признаки Cb (отчетливая кучевообразная форма, волокнистая структура и ливневые осадки), но сравнительно мало развиты по вертикали.
Связь с другими формами. Кучево­дождевые облака Cb образуются не только в результате дальнейшего развития Cu cong., но иногда и в слое облаков Ns. Cb могут наблюдаться одновременно с Ac, As, Sc, Ns, Cu, Frnb. Под облаками Cb обычно наблюдаются полосы падения осадков. При распаде Cb могут образоваться Ci sp., Ci ing., Ac cug., Sc diur., Sc vesp.
Характерные особенности по наблюдениям снизу. Определение Cb обычно не представляет трудностей. Они могут быть смешаны только с Ns и Cu cong.
Если Cb сильно распространились по горизонтали, их основания слились и с пункта наблюдений ни в один из просветов не видно резко очерченных бугристых боковых сторон облаков, то их можно спутать с Ns. Основное различие заключается в том, что Cb имеют более мрачную, свинцово­темную окраску, дают ливневые осадки. При определении также нужно учитывать предшествующее состояние неба.
Облака Cb отличаются от облаков Cu cong, по следующим признакам:
1) Темная окраска основания облака. Если Cu находится близко к 44
зениту, его окраска становится свинцово­темной; освещенность при этом резко уменьшается.
2) Выпадение ливневых осадков. Если осадки не достигают земли, то они (в удаленных облаках) заметны в виде полос падения (virga).
3) Волокнистое строение части облака или перистовидная форма его вершины.
Если хотя бы один из этих признаков имеется, облако следует считать Cb.
Процессы образования. Основным является процесс охлаждения воздуха при восходящем движении при сильно развитой термической или динамической конвекции. Поэтому образование Cb происходит у холодных фронтов и холодных фронтов окклюзии, а также внутри сильно неустойчивых воздушных масс.
В холодное время года, когда низкие температуры воздуха, благоприятные для замерзания облачных капелек и роста ледяных кристаллов, существуют уже на сравнительно небольшой высоте, при наличии конвекции образуются плоские кучево­дождевые облака (Cu hum.), дающие, однако, достаточно интенсивные осадки. Особенно типичны Cb hum. для районов Крайнего Севера, где они могут наблюдаться как зимой, так и летом.
1.2.5 Туманы
Туманом называется помутнение приземного слоя воздуха из­за наличия в нем взвешенных капель воды, ледяных кристаллов или их смеси, при котором горизонтальная дальность видимости становится менее 1 км хотя бы в одном направлении. Аналогичное явление при горизонтальной видимости 1 45
км и более называют дымкой [4].
По агрегатному состоянию воды все туманы могут быть классифицированы как капельные, ледяные и смешанные. Большинство туманов являются мелкокапельными даже при отрицательных температурах. В смешанных туманах, переохлажденные капли отличаются при температурах до –40 ºС. Наибольшую повторяемость в туманах имеют капли радиусом 5–15 мкм. По синоптическому положению, при котором возникают туманы, они делятся на фронтальные, образование которых связано с термодинамическими процессами в области фронтальных разделов, и внутримассовые.
В зависимости от вертикальной протяженности туманы подразделяются на поземные (с верхней границей до 2 м), низкие (с верхней границей от 2 до 10 м) и высокие (с верхней границей, превышающей 100 м)
По степени ухудшения горизонтальной видимости туманы принято делить на слабые (видимость 500–1000), умеренные (видимость 200–500 м), сильные (видимость 50–100 м) и очень сильные (видимость менее 50 м).
Любой туман, как правило, возникает под действием нескольких факторов. На этом основании построена генетическая классификация туманов.
Понижение температуры воздуха является одной из основных причин конденсации водяного пара как вблизи земной поверхности, так и в свободной атмосфере [5]. Вследствие понижения температуры образуются наиболее интенсивные туманы. В зависимости от вида процесса, приводящего к охлаждению, различают: радиационные и адвективные туманы и 46
орографические туманы.
Радиационные туманы образуются в результате охлаждения земной поверхности и прилегающего слоя воздуха под влиянием излучения и турбулентного перемешивания. Обычно считают, что при образовании радиационных туманов доля водяного пара при охлаждении воздуха до точки росы остается практически постоянной. Понижение температуры ниже точки росы сопровождается конденсацией водяного пара, которая приводит к уменьшения доли и давления водяного пара. Для образования тумана необходимо, чтобы сконденсировалось определенное количество водяного пара.
Благоприятные условия для образования радиационных туманов являются:
1) отсутствие облачности или наличие облачности только верхнего яруса. Увеличение количества облаков и уменьшение их высоты приводит к усилению противоизлучения атмосферы и уменьшению эффективного излучения земной поверхности, что не способствует охлаждению последней;
2) высокая относительная влажность в начальный момент. Чем выше относительная влажность, тем меньше охлаждение, необходимое для достижения состояния насыщения и образования тумана.
Адвективные туманы образуются в теплой воздушной массе, перемещающейся на более холодную подстилающую поверхность, в результате неадиабатического охлаждения воздуха при соприкосновении с ней. В воздушной массе, сместившейся на холодную поверхность, устанавливается инверсионное распределение температуры. Конденсация водяного пара начинается от земной поверхности и распространяется до 47
верхней границы инверсии.
Образованию адвективных туманов благоприятствуют следующие условия:
1) высокая относительная влажность перемещающегося воздуха до вступления его на более холодную подстилающую поверхность;
2) большая разность температур между воздушной массой и земной поверхностью;
3) умеренные скорости ветра (2–5 м/с). Если скорость ветра велика, то развивается сильный турбулентный обмен, препятствующий образованию тумана. При слабом ветре воздушная масса медленно перемещается и, следовательно, медленно охлаждается от подстилающей поверхности;
4) увеличение или постоянство доли водяного пара с высотой. Турбулентный обмен всегда способствует выравниванию доли водяного пара по вертикали. Если доля пара возрастает с высотой в приземном слое, то под влиянием турбулентного обмена количество водяного пара вблизи земной поверхности будет увеличиваться за счет переноса из более высоких слоев;
5) умеренно устойчивая стратификация и сравнительно слабый турбулентный обмен. При очень устойчивой стратификации (сильной инверсии) турбулентный обмен прекращается. Вследствие молекулярной диффузии охлаждение от земной поверхности распространяется крайне медленно, поэтому туман образуется в данном случае в очень тонком слое вблизи земной поверхности.
В тех случаях, когда понижение температуры воздуха при его перемещении на относительно холодную подстилающую поверхность в дальнейшем усиливается его охлаждением от радиационно 48
выхолаживающейся подстилающей поверхности, могут возникать туманы, которые принято называть адвективно–радиационными [4].
Понижение температуры воздуха при его адиабатическом расширении может сопровождаться образованием тумана практически только при натекании воздуха на склоны возвышенностей, обеспечивающем значительное перемещение воздуха по вертикали, а следовательно, ощутимое его охлаждение. Поэтому возникающие при этом туманы называют орографическими. Охлаждение воздуха при его адиабатическом расширении без подъема в вертикальном направлении, т. е. значительном падении давления у поверхности земли, что может наблюдаться, например, при резком углублении ложбины, как правило, только способствует образованию тумана при наличии более существенных причин для его возникновения.
Туманы испарения возникают только тогда, когда температура испаряющей поверхности выше температуры приземного слоя воздуха. Поэтому они образуются или над водной поверхностью – надводные туманы, или при испарении капель дождя, выпадающего из теплой надфронтальной воздушной массы, в холодном подфронтальном воздухе – фронтальные туманы.
Образование туманов возможно при смещении двух воздушных масс с разной температурой и влажностью. Эти туманы называют туманами смещения. Они возникают вблизи границ раздела между теплыми и холодными морскими течениями, вблизи морских побережий. Такие туманы можно называть пограничными. Кроме того, туманы могут образовываться при поступлении водяного пара в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека. Водяной пар в этом случае играет роль второй теплой 49
и влажной воздушной массы в процессе смещения. Такие туманы могут быть названы антропогенными.
Водность туманов изменяется в достаточно широких приделах [5]: от тысячных долей до 1.5–2 г/м³. Водность тумана возрастает с увеличением его интенсивности. Максимальные значения водности тумана одной и той же интенсивности при переходе от положительных температур к отрицательным уменьшаются. С ростом температуры может увеличиваться лишь водность туманов охлаждения (радиационных и адвективных). Водность туманов испарения, образующихся под влиянием притока водяного пара, наоборот, при повышении температуры воздуха уменьшается.
Сведения о распределении водности туманов с высотой весьма малочисленны. Из наблюдений, водность туманов и дальность видимости в них существенно изменяются с высотой лишь вблизи земной поверхности и верхней границы туманов. В большей части туманы по вертикали достаточно однородны. По данным измерений, средние значения водности адвективных туманов на высотах 2 и 20 м равны соответственно 0.21 и 0.18 г/м³. При этом примерно в половине случаев значения водности на этих высотах практически были равны между собой, в остальных случаях водность как увеличивалась, так и уменьшалась с высотой. Водность радиационных туманов наибольшая вблизи земной поверхности, с увеличением высоты она медленно уменьшается. Однако распределение водности радиационных туманов зависит от стадии развития. В только что образовавшемся тумане максимум наблюдается вблизи земной поверхности. В средней стадии развития максимум водности смешается на середину слоя. В последней стадии в радиационном тумане распределение такое же, как и в адвективном.
50
Подводя итог данной главы можно сказать:
– существуют три классификации форм облаков (морфологическая, генетическая и по агрегатному состоянию);
– показано, что для создания электронного атласа облаков целесообразнее всего использовать морфологическую классификацию облаков, позволяющую различать формы облаков по внешнему виду с поверхности земли.
51
2 Системы облаков
Расположение облаков на небесном своде имеет определенный порядок в виде скоплений или облачных систем различной величины и структуры. Облачные системы характеризуются последовательностью форм, размеров и высот облаков во времени и пространстве. Они отделяются одна от другого участками ясного (малооблачного) неба или более высоких облаков [1].
Материалы радиолокационных наблюдений, а также данные метеорологических спутников Земли, позволяют считать, что, кроме облачных систем синоптического масштаба, называемых макросистемами (протяженностью порядка 103 км и продолжительностью существования в пределах 1—5 дней), имеются также системы меньшего масштаба, именуемые мезосистемами (протяженностью порядка 10—102 км и продолжительностью существования от нескольких до десятка часов).
На синоптических картах масштаба 100 км = 1 см мезосистемы или совсем не выявляются, или выявляются по данным одной­двух станций, не позволяющим определить их истинные размеры и погодные характеристики. Однако они представляют большой практический интерес, так как с ними связаны разнообразные условия не только «хорошей» погоды, но и опасных ее явлений (грозы, ливни и шквалы). Технические возможности метеорологических радиолокаторов позволяют наблюдать мезосистемы в целом и следить за их эволюцией. Макросистемы бывают фронтальными и внутримассовыми.
52
Фронтальные системы развиваются над поверхностью раздела между двумя воздушными массами (или непосредственно под этой поверхностью) или между двумя частями одной и той же неоднородной воздушной массы. Поверхности раздела, над которыми обычно наблюдается восходящее движение воздуха, очень полого накоплены к поверхности земли (наклон от 0.01 до 0.001), в связи с чем во фронтальных системах наблюдается, вообще говоря, увеличение высоты облаков с удалением от линии фронта. Облака обычно распространяются в высоту на значительную часть тропосферы и иногда разделяются на слои. Внутри системы могут возникать безоблачные прослойки.
В простейших случаях во фронтальных системах наблюдается постепенное изменение высоты и толщины облаков и определенная последовательность форм по мере прохождения системы через пункт наблюдения. Эти случаи в синоптической практике приняты в качестве типичных, хотя они и не являются преобладающими. Непрерывность изменения облачных характеристик во времени и пространстве во фронтальных системах имеет место в результате господства основного облакообразовательного процесса близ фронтальной поверхности — процесса взаимодействия воздушных масс. Однако нередко в качестве господствующих выступают и другие процессы.
Начиная с 1940­х гг. стало известно, что на некоторых участках фронтальной поверхности (фронта) время от времени появляются мезопроцессы, под влиянием которых возникают более или менее обособленные мезосистемы облаков. В мезосистемах, в отличие от соседних участков, появляются другие характеристики высоты, толщины и формы облаков, в связи с 53
чем непрерывность изменения свойств облачного покрова во фронтальной системе нарушается.
Поскольку продолжительность мезопроцессов небольшая, мезосистемы облаков как структурные объекты фронтальной облачности (и вообще облачных макросистем) разрушаются на одних участках системы и возникают на других.
Мезопроцессы нередко приводят к разрывам облачности на линии фронта (разрыв линии фронта), к формированию мезосистем за пределами типичной фронтальной системы (например, формирование шкваловых линий перед холодным фронтом), к образованию необычных (нетипичных) зон фронтальных осадков.
Внутримассовые системы не связаны с восходящим движением воздуха над какой­либо поверхностью раздела.
взаимодействия воздушной
Они образуются в результате массы непосредственно с подстилающей поверхностью или в результате излучения и поглощения солнечного тепла.
По признаку температурной стратификации среды различают системы устойчивых воздушных масс и неустойчивых. Для устойчивых воздушных масс (умеренных и полярных широт) характерны слоистые и слоисто­кучевые облака, уплотняющиеся ночью и деградирующие днем, для неустойчивых — кучевые и кучево­дождевые облака, развивающиеся в нижнем и среднем ярусах, причем в ночное время процесс образования обычно ослабевает, а днем усиливается.
Рассмотрим типичные облачные системы фронтов. Для мезосистем, на которые в конечном итоге расчленяется облачность фронтальных и внутримассовых систем, общепринятые модели еще не определены, поэтому здесь ограничимся краткой характеристикой лишь тех из них, которые отмечаются в пределах фронтальных макросистем — систем облаков теплого 54
фронта, холодных фронтов и фронтов окклюзии.
2.1 Фронтальные системы облаков
2.1.1 Система облаков теплого фронта
Теплый фронт является фронтом восходящего движения теплого воздуха. Система облаков образуется в этом теплом воздухе над поверхностью раздела, однако разорванно­дождевые облака Frnb возникают в холодном воздухе немного ниже поверхности раздела [1].
Для типичной системы облаков теплого фронта характерна достаточно четкая последовательность форм во времени и пространстве.
Облака системы теплого фронта Ci (часто Ci unc.) и Cs появляются первыми на расстоянии 800—1000 км впереди линии фронта. В дальнейшем, по мере приближения линии фронта к месту наблюдения, Cs меняются As, из которых по мере уплотнения начинают выпадать осадки. Летом осадки из As испаряются в воздухе, не достигая земли. Снижаясь, As переходят в Ns, что происходит на расстоянии 300—400 км от линии фронта. Под влиянием выпадающих осадков могут образоваться низкие Frnb, сначала в виде отдельных облаков, а затем и в виде почти сплошного слоя, сливающегося местами со слоем Ns.
Летом фронтальные облака Ns местами могут переходить в Cb, а As в Ас. Если теплый воздух достаточно сухой и восходящее движение слабо развито, вся фронтальная система может выродиться в одну гряду высоких облаков.
В стадии формирования, как и в стадии распада, фронтальная система 55
ограничивается облаками верхнего и среднего ярусов.
Мезосистемы в пределах макросистемы теплого фронта наблюдаются чаще всего, во­первых, на передней кромке ее в виде гряд полос Ci и Cs, отделенных участком ясного (малооблачного) неба от основного массива. В такой гряде по море прохождения ее через пункт наблюдения отмечается сначала увеличение и уплотнение облачности, а затем уменьшение и утончение. Ясное (малооблачное) небо, наступающее после прохождения этой мезосистемы, может сохраняться в пункте наблюдения несколько часов.
Во­вторых, часто мезосистемы отмечаются в зоне наибольших отрицательных барических тенденций на расстоянии 100—300 км от линии фронта. При этом наблюдается такая фронтальная последовательность форм: тонкие As быстро переходят в плотные As, затем появляются низкие Ns или переходные Ns—Sc, с которыми связаны и наиболее интенсивные осадки. Вскоре высота облаков резко увеличивается. Создается впечатление, что фронт уже прошел, однако основная зона облаков, связанная с линией фронта, приходит несколько позднее. Иногда система теплого фронта, хотя и на отдельных участках, состоит из двух­трех таких более плотных параллельных полос.
Появление облаков Cb на теплом фронте в летнее время по существу также означает появление мезосистемы, которая может сопровождаться и грозами, и ливнями.
Таким образом, макросистема облаков теплого фронта может включать несколько мезосистем, и в каждой из них наблюдается своя последовательность изменения количества и высоты облаков, нарушающая типичную фронтальную последовательность. Единой облачной системы, 56
представляемой на типичных схемах, т. е. с постепенным увеличением облачности и снижением высоты облаков к линии фронта, в этих случаях не наблюдается. В мезосистемах преобладают переходные формы облаков в результате наложения процессов различного масштаба и различной активности.
2.1.2 Системы облаков холодного фронта
Система облаков холодного фронта располагается в основном позади приземной линии фронта, ширина ее не превышает 500—600 км.
Фронтальная поверхность холодного фронта в нижнем слое имеет наиболее крутой наклон, вытеснение теплого воздуха вверх здесь происходит наиболее активно, и поэтому близ линии фронта в типичном случае наблюдаются Cb.
Различают два рода холодных фронтов в зависимости от скорости их перемещения: медленно движущиеся 1­го рода и быстро движущиеся 2­го рода.
Холодный фронт 1­го рода. Система облаков медленно движущегося фронта начинается именно с образования облаков Cb. После прохождения Cb заметного прояснения не наблюдается. С удалением от линии фронта наклон поверхности раздела становится более пологим и Cb сменяются слоистообразными Ns—As — Cs, т. е. отмечается последовательность форм, обратная той, которая наблюдается при прохождении типичной системы теплого фронта.
Холодный фронт 2­го рода. Быстро движущийся фронт имеет в качестве предвестников гряду или гряды Ас (Ac lent.) и Сс, которые 57
возникают примерно в 100­километ­ровой зоне перед Cb. Ширина зоны Cb также составляет около 100 км. В простейшем случае этими облаками и ограничивается вся система фронта 2­го рода. После прохождения ее наступает частичное или полное прояснение, за которым следуют один или два вторичных фронта нередко также с ливнями, грозами и шквалами.
Вдоль линии холодного фронта облака Cb обычно, не образуя сплошной стены, группируются в мезосистемы, разделенные разрывами. Вместе Cb могут наблюдаться другие, преимущественно переходные формы, являющиеся результатом эволюции и распада Cb, например Ас, Аs или сочетание Ns — Sс.
Во многих случаях мезосистемы облаков наблюдаются также на расстоянии 100—200 км перед холодным фронтом, образуя тут линии шквалов. Кроме того, достаточно типично наличие мезосистем — рядов Cb с кратковременными ливнями в тылу холодного фронта — уже после прохождения вторичных фронтов. На экранах радиолокаторов эти мезосистемы имеют форму длинных полос.
2.1.3 Система фронта окклюзии
В циклоне в результате смыкания холодного и теплого фронтов образуется фронт окклюзии. Облачная система, связанная с этим фронтом, оказывается наиболее сложной. Она включает в себя не только сомкнувшиеся системы холодного и теплого фронтов, но также и систему нижнего фронта, возникшую в результате нового взаимодействия масс на фронте окклюзии. В зависимости от характера взаимодействия облачная система нижнего фронта может оказаться похожей или на систему теплого фронта или на систему холодного фронта, что меньшую по своей протяженности. Для системы 58
фронтов окклюзии характерно наибольшее разнообразие чередовании форм облаков (основных и переходных). Характер облачности этих фронтов усложняется и пол влиянием мезосистем, возникающих в условиях сложного процесса окклюдирования циклона.
2.2 Стратосферные и мезосферные облака
1) Сверхперистые облака относятся к стратосферным. Они возникают на высотах 14—16 км в нижней стратосфере или вблизи субтропической тропопаузы в виде тонких извилистых полос; на отдельных участках напоминают перисто­кучевые облака. Окраска — от коричневатого до серого цвета. Видимы только в сумерки после захода и перед восходом солнца, когда нижележащий слой атмосферы погружен в земную тень, а слой облаков освещен прямыми лучами. Наблюдаются редко [1].
2) Перламутровые облака наблюдаются в стратосфере. Они образуются на высотах от 22 до 30 км. В сумерки кажутся светящимися на темном небе. Иногда имеют вид больших, но очень легких Ac lent. в волнах длиной до 45—
70 км. Расцвечены большими полосами и пятнами разных цветов (красного, желтого, зеленого и др.). Вечером по мере погружения солнца под горизонт расцветка постепенно бледнеет, свечение исчезает. С наступлением утренних сумерек снова начинают светиться.
Наблюдаются редко, преимущественно в горных странах зимой в полярных широтах.
3) Серебристые, или мезосферные, облака образуются в мезопаузе на высоте около 82 км. Похожи на перистые или перисто­слоистые облака очень 59
тонкой нежной структуры. Отличаются большой яркостью, но полностью прозрачны. Звезды просвечивают сквозь них, не теряя яркости. Имеют характерный шелковистый отлив и голубовато­белый (серебристый) цвет.
Основные особенности наблюдений серебристых облаков заключаются в следующем:
а) наблюдаются только в течение сумерек (вечерних и утренних) при освещении их лучами солнца, погруженного под горизонт на угол от 6 до 16°. Вечером с окончанием гражданских сумерек, когда солнце опускается на 6°, серебристые облака могут быть видны не только в северной половине неба, где их и следует прежде всего искать, но и вблизи зенита, и даже несколько южнее. По мере опускания солнца сегмент небесного свода, занятый видимыми серебристыми облаками, все больше и больше сокращается. При угле погружения солнца 16°, когда видны все доступные глазу звезды, серебристые облака могут наблюдаться только на севере вблизи горизонта. В течение утренних сумерек последовательность явлений обратная;
б) наблюдаются только в летнюю половину года;
в) в северном полушарии наблюдения за ними производятся с 1 марта по 31 октября, чаще всего только в зоне от 45 до 80° широты, но обычно в зоне 50
—65°; в южном полушарии отмечаются иногда в более низких широтах.
Выделяют 4 типа серебристых облаков:
1) флёр — тонкая туманообразная пелена;
2) полосы — размытые и резко очерченные наподобие тонких струй;
3) валы (волны) — ряд резко очерченных параллельных коротких полос;
4) завихрения — возникают во флёре, полосах и валах.
60
2.3 Эволюция форм облаков
Разнообразие внешнего вида облаков огромно, поэтому любая классификация их, даже самая подробная, учитывает лишь относительно небольшое число существующих форм [1]. В связи с этим каждое название облаков неизбежно распространяется на множество их состояний, и для определения формы приходится учитывать несколько типичных признаков ее. Это обязывает наблюдателя изучить и использовать в работе подробные описания форм.
Каждое облако претерпевает непрерывную эволюцию, что еще больше усложняет определение формы. В связи с непрерывной эволюцией все основные формы облаков, как и все их виды и разновидности, входящие в классификацию, следует считать не какими­либо конечными продуктами развития, а всего лишь наиболее характерными состояниями облаков, часто повторяющимися в подобных условиях в процессе эволюции.
Изменения, которые могут происходить с каждой основной формой облаков в результате ее развития и распада, изложены в главе 1. Учитывая эти данные, рассмотрим эволюцию форм и остановимся на характеристике переходных форм, сопровождающих эволюцию.
Все известные возможные изменения основных форм под влиянием эволюции, позволяют описать основные принципы эволюции, которые необходимо учитывать в практике наблюдений. Они состоят в следующем.
1) В результате эволюции исходной основной формы может образоваться другая основная форма, т. е. определенная доля случаев с облаками данной основной формы может быть обусловлена эволюцией, а не 61
результатом непосредственного процесса образования. Так, облака Ci могут возникнуть путем эволюции облаков Cc или Cs, облака Ас могут образоваться путем эволюции облаков Cc, Аs, Sc и даже Cu, и т. д.
Облака, возникшие путем эволюции, неизбежно сохраняют признаки своей «материнской» формы, и внимательный наблюдатель легко отличит их от облаков, возникших в результате непосредственного процесса образования.
Исходная основная форма и форма, возникающая в результате ее эволюции, взаимозаменяемы. Например, если As могут переходить в Ас, то и, наоборот, Ас могут переходить в Аs.
Наибольшее разнообразие взаимных переходов связано с облаками Sc, которые могут превращаться в пять других основных форм и возникать из каждой из этих пяти форм. Исключение из общего правила представляют облака Cu и Cb.
2) Любая форма облаков верхнего и среднего ярусов может в результате эволюции перейти в любую другую форму в пределах того же яруса. Однако в нижнем ярусе тропосферы возможности изменения формы оказываются уже ограниченными, эволюция здесь менее разнообразна, если не считать облака Sc, которые могут переходить в любые другие облака данного яруса. Наименее доступной эволюции оказывается форма St, имеющая наибольшее число невозможных («запретных») переходов в другие формы.
Эволюция в пределах одного и того же яруса протекает обычно быстро, в течение часа или нескольких часов. Она обусловлена наличием мезопроцессов, имеющих относительно небольшие области распространения.
3) Эволюция может привести к переходу формы облаков одного яруса в форму другого. Но при этом категория вида облаков не меняется, т. е. 62
кучевообразные остаются
кучевообразными, а слоистообразные — слоистообразными.
Такая эволюция наблюдается при переходе облакообразовательного процесса в более высокий или в более низ­кий слой, что характерно для условий фронтального взаимодействия воздушных масс.
4) Эволюция облаков, происходящая в результате распада Cb, имеет следующие особенности.
Облака Cb при распаде порождают множество облаков других форм, более или менее напоминающих основные формы. Но под влиянием общего разрушения они исчезают вскоре после появления.
Нарушение взаимозаменяемости форм Cu и Cb связано с особенностью процесса перехода Cu и Cb. Этот переход является необратимым. Он приводит к столь значительным качественным изменениям начальной структуры облаков Cu, на базе которых развиваются Cb, что при распаде Cb первичные структурные образования уже не обнаруживаются (отсутствие взаимозаменяемости форм Cu и Cb нарушает симметрию расположения форм).
Переходными формами облаков называют промежуточные формы между какими­либо двумя основными. Число случаев (сроков) с преобладанием переходных форм оказывается большим, оно составляет около половины общего их числа, и наблюдатели должны это учитывать.
Частая повторяемость промежуточных форм — результат широко распространенной и разнообразной эволюции облаков, когда они на какое­то время теряют признаки прежней основной формы, не приобретая еще признаков новой формы. Если при этом учесть, что одинаковая эволюция 63
всех облаков происходит только в условиях достаточно активного процесса, тогда как при малой его активности характер эволюции разных облаков может оказаться различным, то становится очевидным, насколько неопределенной может оказаться форма облаков. Переходные формы наиболее характерны для облаков верхнего и среднего ярусов, где наблюдается наибольшее разнообразие эволюции форм. Облака нижнего яруса, располагающиеся в виде сплошных толстых слоев (St, Sc, Ns), в меньшей мере подвержены эволюции, и переходные формы здесь менее разнообразны, хотя они и сохраняются более длительное время.
При наличии Cb, возникающих в слое Ns на теплом фронте, наблюдатель вообще не имеет возможности увидеть, в какой мере Cb сливаются с Ns. Однако те неоднородности в слое Ns, которые обнаруживаются при радиолокационных наблюдениях, а также очаговый характер осадков из этих облаков показывают, что в таком случае возникает некоторая промежуточная форма между облаками Сb и Ns.
Наличие переходных форм, этих промежуточных в морфологическом отношении объектов, делает наблюдение за формой облаков наиболее сложным видом метеорологических наблюдений. При этом наблюдатель, следуя описанию форм, может почти с одинаковым основанием отнести облака переходной формы или к той, или к другой форме, так как общих признаков для этого бывает достаточно. Однако для составления синоптической телеграммы такие облака должны иметь лишь одно название. В связи с этим в практике наблюдений используется двойная запись, например, Sc (Ns), причем первая форма как более близкая к данной переходной форме указывается в телеграмме.
Наличие облаков переходных форм на отдельных участках неба не 64
является основанием для использования двойного названия. Двойное название может относиться только к преобладающей облачности.
2.4 Осадки и их классификация
Важной характеристикой облаков являются выпадающие из них осадки. Некоторые формы облаков всегда или почти всегда дают осадки, другие облака либо совсем не дают осадков, либо их осадки достигают земли лишь в отдельных, исключительных случаях. Иногда осадки бывают очень слабыми или даже не достигают поверхности земли, но их выпадение заметно по полосам падения под основанием облаков. Однако сам факт выпадения осадков, а также их вид (дождь, снег, град и т. д.) и интенсивность служат хорошим признаком для определения облаков.
Итак, осадками принято называть воду в жидком или твердом состоянии, выпадающую из облаков или осаждающуюся из воздуха на поверхность Земли и на предметах [4]. В последнем случае осадки принято называть наземными. Кроме того, осадки, выпадающие из облаков, иногда могут не достигать земной поверхности, испаряясь при падении. Визуально этот процесс фиксируется в виде появления так называемых полос падения. В дальнейшем речь пойдет только об осадках, выпадающих из облаков и достигающих подстилающей поверхности.
Количество атмосферных осадков характеризуется их суммой и измеряется высотой слоя воды, который образовался бы на участке горизонтальной поверхности непосредственно или в результате таяния кристаллов льда при условиях отсутствия стока, испарения и просачивания через подстилающую поверхность. Обычно количество осадков измеряется в 65
миллиметрах, 1 мм осадков соответствует 1 кг воды, выпавшей на площадь 1 м2.
Интенсивностью осадков называют их количество, выпавшее в единицу времени. При оценке интенсивности осадков за небольшие промежутки времени количество осадков определяется в миллиметрах слоя воды (мм/ч, мм/12 ч, мм/сут), при больших временных интервалах — в сантиметрах слоя воды (см/мес, см/сезон, см/год).
По фазовому состоянию воды, из которой состоят осадки, они могут быть жидкими (дождь, морось), твердыми (снег, крупа, град) и смешанными (снег с дождем, дождь с градом и т. д.).
2.4.1 Морфологическая классификация осадков
В соответствии с морфологической классификацией выделяют следующие виды осадков: морось, дождь, снег, мокрый снег, крупа, град [5].
1) Морось — довольно однородные осадки, состоящие из мелких капель (радиусом меньше 0,25 мм), которые почти не имеют направленного движения и кажутся плавающими в воздухе. Выпадает морось из слоистых (St) и слоисто­
кучевых (Sc) облаков, а также при рассеивании тумана. Интенсивность осадков при мороси не превышает 0,25 мм/ч, скорость падения капель в неподвижном воздухе менее 0,3 м/с.
2) Дождь — жидкие водяные осадки, состоящие из капель радиусом более 0,25 мм. Наблюдения показывают, что капли радиусом больше 2.5 — 3.2 мм не встречаются — они сплющиваются и разбиваются на более мелкие.
Дробление капель происходит так: при попадании капли в поток она сплющивается, затем средняя часть капли выдувается к происходит ее отрыв, 66
сохранившееся кольцо распадается на отдельные капли. Скорость падения капель дождя достигает 8—10 м/с. Дождь выпадает из слоисто­дождевых (Ns) и кучево­дождевых (Cb) облаков, а также иногда из высоко­слоистых (As).
3) Снег — твердые осадки в виде кристаллов (снежинок). Наблюдается исключительно большое разнообразие форм снежинок. Наиболее простые из них иглы, столбики и пластинки. Кроме того, встречаются многочисленные усложненные формы снежинок: игольчатые звезды; пластинчатые звезды; ежи, состоящие из нескольких столбиков; столбики с пластинками или звездами на концах и т. д. Некоторые формы столбиков имеют внутренние полости или имеют вид бокалов; встречаются также 12­лучевые звезды.
Размеры отдельных снежинок могут быть различными. Наибольшие линейные размеры обычно имеют игольчатые звезды (их радиус достигает 4—5 мм). В смешанных облаках часто наблюдается обзернение снежинок (замерзание переохлажденных капель при соударении со снежинкой), которые при этом приобретают матовый оттенок. Снежинки часто соединяются между собой и выпадают в виде больших хлопьев. Радиус хлопьев снега колеблется от 0,5 мм до 5 см; наблюдались хлопья радиусом до 15—20 см.
Снежные хлопья — весьма частое явление. Они наблюдаются в 14% случаев при слабых и в 92% при сильных снегопадах. Образованию снежных хлопьев способствует относительно высокая температура воздуха, большая густота снегопада, длительность пути падения и другие факторы. Предельно большие хлопья образуются при затишье или слабом ветре (1—2 м/с).
4) Мокрый снег — это осадки в виде снежинок и капель или тающих снежинок. Мокрый снег образуется тогда, когда вблизи земной поверхности температура близка к 0°С или несколько выше.
67
5) Крупа — осадки, состоящие из ледяных и сильно обзерненных снежинок радиусом от долей миллиметра до 7,5 мм, которые образуются в результате замерзания переохлажденных капель воды и обзернения снежинок.
В зависимости от соотношения между снежной и ледяной частями крупинок этот вид осадков подразделяют на снежные зерна, снежную и ледяную крупу (последнюю часто считают разновидностью града).
6) Град — частицы шарообразной формы с ледяными прослойками различной плотности. Радиус частиц от 1 до 25 мм (наблюдались случаи выпадения градин радиусом более 15 см). Крупные частицы града имеют слоистое строение. В центре расположено матовое белое ядро, похожее на снежную крупу. Ядро обтянуто слоем прозрачного сплошного льда. Далее идут попеременно прозрачные и непрозрачные слои льда.
Градины образуются в кучево­дождевых облаках в результате слияния переохлажденных капель воды с зернами крупы, при котором происходит замерзание капель. Наиболее крупные градины образуются вследствие смерзания более мелких градин.
2.4.2 Генетическая классификация осадков
Генетическая классификация осадков основывается на том, что характер осадков (интенсивность, размеры зон, занятых осадками, вид осадков) определяется классом преобладающих вертикальных движений, обусловливающих образование осадков, а, следовательно, и преобладающими формами облаков, из которых они выпадают. На этом основании выделяют следующие виды осадков [4]:
1) Обложные осадки — осадки, образование которых связано главным 68
образом с адиабатическим охлаждением воздуха в областях упорядоченных восходящих вертикальных движений. Как уже было показано, такие вертикальные движения характерны для областей пониженного давления (циклонов и ложбин) и для зон атмосферных фронтов. Поэтому они продолжительны и занимают большие площади, выпадают из слоисто­
дождевых и высоко­слоистых облаков в виде дождя, снега и мокрого снега и имеют среднюю интенсивность, медленно меняющуюся во времени;
2) Ливневые осадки — осадки, образование которых связано в основном с адиабатическим охлаждением воздуха при конвективных восходящих вертикальных движениях. Такие осадки выпадают из кучево­дождевых облаков (в низких широтах они могут быть капельно­жидкими, по внешнему виду напоминать мощные кучевые облака) в виде дождя, снега, мокрого снега, крупы и града. Интенсивность их резко меняется со временем и может достигать очень больших значений. Известны случаи, когда интенсивность ливневых осадков достигала 30 мм/мин, за сутки выпадало в умеренных широтах 150—250 мм и в низких широтах до 1000—1150 мм. Поля ливневых осадков состоят из изолированных областей высокой интенсивности осадков, чередующихся с бездождными зонами. Поэтому говорят, что поля ливневых осадков имеют высокую пятнистость. Выпадение ливневых осадков часто сопровождается градом, грозами и шквалами;
3) Моросящие осадки — осадки в виде мороси или ледяных кристаллов. Облачность, из которой они выпадают, образуется в результате турбулентного переноса водяного пара от подстилающей поверхности в пределах пограничного слоя и неадиабатического охлаждения воздуха за счет эффективного излучения верхней границы облаков. Моросящие осадки 69
выпадают из плотных слоистых и слоисто­кучевых облаков. Имеют слабую, мало меняющуюся во времени интенсивность. Обширные поля моросящих осадков формируются в центральных и тыловых частях антициклонов и в зонах активной адвекции теплого влажного воздуха.
Существует статистическая связь между видами осадков по генетической классификации и их интенсивностью. Можно считать моросящими осадки интенсивностью менее 0.6 мм/ч, обложными — интенсивностью в пределах 0.6—3.0 мм/ч и ливневыми — интенсивностью более 3.0 мм/ч.
По синоптическим условиям образования различают осадки внутримассовые (осадки образуются внутри однородных масс) и фронтальные (осадки связаны с прохождением фронтов). Для устойчивой теплой воздушной массы характерны осадки в виде мороси из слоистых облаков или в виде слабого обложного дождя из плотных слоисто­кучевых облаков. В неустойчивой холодной воздушной массе выпадают ливневые осадки. Для теплого фронта типичны обложные осадки, для холодного фронта – ливневые, на при прохождении холодного фронта 1­го рода осадки, имеющие вначале ливневый характер, переходят в обложные [8].
2.5 Облака как местный признак погоды
По облакам во многих случаях можно судить не только об общем состоянии погоды в данный момент, но и о возможных ее изменениях в ближайшем будущем [1].
Так, для фронтальных систем наиболее характерны облака Cs, As, Ns, 70
Ac и Cb, а для внутримассовых — Cu и системы St — Sc. Эти формы позволяют судить и о характере процесса, и об ожидаемых изменениях погоды.
Однако почти все формы облаков, которые обычно считаются фронтальными, могут наблюдаться и в однородных воздушных массах. В этих массах в результате мезомасштабных процессов возникают линии шквалов, грозовые очаги и зоны осадков. Даже такая форма облаков, как Ns, не всегда может служить признаком фронтального процесса; облака этой формы иногда возникают в результате радиационного охлаждения. Для прогностической оценки той или иной формы облаков целесообразно учитывать масштаб облачной системы, к которой вероятнее всего относится данная форма.
Например, облака, находящиеся на переднем крае облачной системы теплого фронта, могут служить признаком таких явлений (дождя и пр.), заблаговременность которых — не менее одних суток, а иногда и несколько более. Поскольку в течение суток эволюция системы может существенно измениться, а отдельные участки ее могут оказаться под сильным влиянием мезопроцессов, такие признаки не следует считать достаточно надежными. Ограниченная часть небесного свода, доступная наблюдателю, не всегда позволяет получить верное представление о развитии процесса па огромной территории для уточнения прогноза.
Период заблаговременности признаков определяется масштабом процесса. Для макропроцессов характерна заблаговременность до суток и более, тогда как облака, связанные с мезосистемами, могут указывать на возможность определенных явлений с заблаговременностью всего лишь в несколько часов и позволяют с большей определенностью оценить характер ожидаемых явлений 71
(например, предусмотреть возможные явления в связи с приближением грозовых облаков). Поскольку наблюдаемые признаки здесь значительно ближе к ожидаемым явлениям как во времени, так и в пространстве, они являются более надежными.
Уверенную оценку масштаба системы можно получить только синоптическим путем. Методика визуального обнаружения мезосистем с земли остается пока неразработанной. Поэтому использование облаков как местных признаков погоды остается доступным пока лишь в традиционном плане, т. е. рассчитывая на типичную фронтальную или внутримассовую облачность и связанные с ней типичные явления и на типичную дальнейшую эволюцию процесса. Что же касается наиболее частых нетипичных случаев эволюции, указывающих обычно на наличие мезопроцессов, то для их подробного изложения пока не имеется достаточных данных.
2.5.1 Облака верхнего яруса
При надвижении от одной стороны горизонта широкого фронта перистых или перисто­слоистых облаков и постепенном их уплотнении (в особенности, если при этом непрерывно падает давление, усиливается ветер, несколько поворачивая влево) в большинстве случаев можно с уверенностью предсказать надвижение более низких, плотных и мощных облаков [2]. Они приносят обложные осадки, связанные с прохождением теплого фронта или фронта окклюзии, особенно сильные, если облака надвигаются с западной стороны горизонта.
Из разновидностей перистых облаков Ci unc. (крючковидные) с прямолинейными нитями, уплотняющиеся к горизонту, чаще всего служат 72
признаком приближения теплого фронта и быстрого ухудшения погоды. Быстрое движение Ci указывает на большую скорость перемещения фронта.
Быстро надвигающиеся длинные полосы высоких и тонких Ci unc.,Ci vert., полосы CS с четким краем, отдельные пятна тонких красивых Cc (движение которых особенно заметно), перистые наковальни ряда высоких Cb, сильно растянутые ветром и сливающихся в одну полосу, и быстрые изменения всех облаков — все это говорит о наличии сильного струйного течения на высоте и о вероятности резких изменений и ухудшения погоды.
Нередко на переднем крае облачной системы теплого фронта наблюдаются гряды Ci — Cs, отделенные от основного массива полосой ясного неба. Это наиболее частый случай нарушения типичного (непрерывного) распределения облачности в пространстве. С прохождением таких гряд можно ожидать типичной последовательности тех же форм.
Отдельные разбросанные по небу массы плотных облаков Ci sp. и Ci Ing. являющиеся остатками наковален Cb, обычно предвещают образование нового грозового очага только в условиях неустойчивой атмосферы.
2.5.2 Облака среднего яруса
Важным признаком будущих изменений погоды являются высоко­
слоистые облака As, которые обычно связаны с фронтами [1]. Они часто бывают непосредственным продолжением снижающегося и уплотняющегося покрова облаков Cs. При этом высоко­слоистые облака сначала имеют вид As trans., а затем уплотняются в As op.
Облака As, сменяющие Cs, и их дальнейшее уплотнение служат признаком скорого начала длительных обложных осадков, снега или дождя. 73
Если As не снижаются и становятся похожи на Ас ор., обложные осадки бывают обычно слабы, если они вообще наблюдаются.
В однородной воздушной массе облака среднего яруса могут предвещать появление такого мезомасштабного объекта, как линия шквала.
Предвестниками линии шквала, достигающей полного развития в послеполуденные часы, являются малоподвижные Ac cast., нередко вместе с Ac lent., часто переходные от Ac к Sc. Наблюдаются эти предвестники обычно в утренние часы.
Для линии шквала, образующейся на холодном фронте, характерны быстродвижущиеся Ac lent. с Cc lent., а также переходные от Ac к Sc.
2.5.3 Облака нижнего яруса
Признаком облачности теплого фронта служит ее постепенное снижение и уплотнение, появление Frnb и переход к обложным осадкам.
Нетипично в ходе облачности теплого фронта резкое снижение облаков и усиление осадков в зоне наибольших отрицательных барических тенденций перед линией фронта, характеризующейся переходной формой Ns — Sc.
Признаками, указывающими на наличие облачности холодного фронта (1­
го рода) в зависимости от сезона, служат:
а) летом — переход Cu в Sc, постепенное уплотнение Sc, переход их в Cb, появление Frnb и Ns; переход ливневых осадков в обложные;
б) зимой — уплотнение Sc, переход их в Ns, появление Frnb,осадки.
В однородной воздушной массе нередко наблюдается чередование облачных полос в слое St—Sc. Период чередования составляет несколько часов, обычно не более шести. Наиболее низкие полосы связаны с осадками.
Конвективные мезосистемы остаются внутримассовыми системами 74
«хорошей» погоды и при относительно позднем развитии Cu. В такой мезосистеме облака Cu обычно переходят в Cb.
В заключение второй главы можно сказать:
–существует три типа атмосферных фронтов с каждым из которых связана облачная система, состоящая из определенных форм облаков;
–выпадение осадков может быть связано как с атмосферными фронтами, так и с развитием внутримассовых процессов осадкообразования, их вид и интенсивность служат хорошими признаками определения форм облаков;
–каждое облако испытывает непрерывную эволюцию во времени. Наблюдения за изменениями формы облаков позволяют понять процессы, происходящие в атмосфере;
–облака как местный признак погоды используется, лишь в расчете на типичную фронтальную или внутримассовую облачность, связанные с ней явления и на свойственную им дальнейшую эволюцию.
75
3 Оптические явления в облаках и в осадках
3.1 Микроструктура водяных и ледяных облаков Облака состоят из мелких капель воды или кристаллов льда. Поэтому различают облака водяные и ледяные [6]. Так как в облаках капли очень часто переохлаждены, то бывают смешанные облака, в которых есть и капли и кристаллы одновременно. Было установлено, что переохлаждение – частое явление и что его вероятность уменьшается с понижением температуры. Ниже ­25 ºС облака преимущественно чисто кристаллические. Изредка обледенение самолетов, возникающее в облаках из переохлажденных капель, наблюдалось даже при ­46 ºС, ­49 ºС.
Как показали наблюдения, сделанные главным образом на самолетах, водяные облака состоят из капель различных радиусов, преимущественно от 4 до 25 мкм. В слоистых облаках средний радиус примерно 4.5 мкм, в слоисто­
кучевых 4.7 мкм, в слоисто­дождевых 6.0–7.0 мкм, в высоко­кучевых 4.7 мкм, в кучевых облаках низких 2.5–3.5, в средних 3.5–4.5 и мощных 4.5–7.0 мкм. В облаках обнаруживаются также «крупные капли», переходные к каплям осадков. В отличие от облачных они имеют уже заметную скорость падения. Число капель с радиусом более 75 мкм достигает в слоисто­дождевых облаках, дающих осадки до 3000 на один кубический метр.
Большое значение имеет водность облаков, т. е. содержание в ней капельножидкой (и кристаллической) воды, выражаемое в г/см³ или г/м³. Содержание капельножидкой воды в облаках почти всегда гораздо меньше, 76
чем парообразной. Наибольшая наблюдавшаяся в слоисто­дождевых облаках водность достигала 1.68х10 г/см³ ,а в ливневых облаках 5.4 г/м³. По некоторым данным в кучево­дождевых облаках водность изредка достигает 43 г/м³. В ледяных облаках водность мала и в среднем равна около 0.03 г/м³ при температуре ­20 ºС и 0.006 г/м³ ниже ­30 ºС.
Ледяные кристаллы зарождаются при очень низких температурах, но, увеличиваясь, могут выпадать и наблюдаться в более теплых низких слоях облаков. Там они продолжают расти, образуя постепенно большие снежинки. Изредка, например, в Антарктиде, ледяные облака (туманы) могут наблюдаться почти у самой земли, при температуре меньше —40°. Наблюдения в верхней тропосфере (6—10 км) показывают, что первичной зародышевой формой кристалла при низкой температуре является очень маленький шестиугольный столбик, иногда с внутренними пустотами. Сходные кристаллы льда образуются около испаряющихся кусков твердой углекислоты в воздухе или в камере, наполненной переохлажденным туманом. По Вейкману, похожие, хотя и более крупные кристаллы образуются и в так называемых конденсационных следах за самолетами, возникая там из быстро замерзающих мельчайших капель воды.
Существуют два простых основных типа первичных облачных кристаллов [7], внешний вид которых представлен на рисунке 3.1:
1) столбики — шестигранные призмы, нередко с внутренними пустотами с одного или обоих концов, придающими иногда им вид пустых стаканов. Довольно часто наблюдаются «столбики­снарядики» с заостренным (пирамидальным) концом. Эти формы наблюдаются при сравнительно низких температурах, от —15 до —30° и ниже. Длина столбиков достигает 77
0.1­0.3 мм. Это — весьма распространенная форма атмосферного льда. Большинство форм перистых облаков состоит из таких кристаллов. Иногда они бывают соединены по несколько штук (до 7—10) в «пучки». Можно думать, что кристаллы такого пучка выросли одновременно в разные стороны из нескольких точек на поверхности одного ледяного зародыша. Столбики, образующие пучок, в слоисто­дождевых облаках могут вырастать до 1 мм и более. Иногда наблюдаются длинные очень тонкие столбики — иглы до 2—3 мм длиной;
2) шестиугольные пластинки с размером до 0.4 мм и толщиной до 100 мкм. Они часто наблюдаются в перисто­слоистых облаках. В них тоже нередко видна «внутренняя структура» — рисунок в виде лучей. Она возникает, очевидно, благодаря более медленной сублимации у центра пластинки по сравнению с ее краями. Тонкие пластинки появляются при температурах —4, —18°, толстые — при более низких температурах. Такие пластинки вместе с другими формами наблюдаются также и в слоисто­
дождевых облаках и в «наковальнях» кучево­дождевых облаков.
Рисунок 3.1 – Формы первичных облачных кристаллов [7]
78
Микрофизические параметры основных форм облаков представлены в таблице 3.1 [1, 2].
3.2 Оптические явления в облаках и осадках
В облаках, туманах и осадках при определенных условиях возникают разнообразные оптические явления: венцы, глории, радуги и гало. К настоящему времени установлено, что объяснение всех этих оптических явлений содержится в общей теории рассеяния. Характер явлений, возникающих при рассеянии, определяется отношением радиуса (r) рассеивающих частиц к длине волны (λ) падающего света, т. е. значением параметра μ = 2πr/λ [5].
79
Таблица 3.1 – Микрофизические параметры облаков
Форма облаков
Перистые
Перисто­кучевые
Перисто­слоистые
Высоко­кучевые
Высоко­слоистые
Средний радиус Водность, Микроструктура
капель, г/м³
мкм
Кристаллическая. Кристаллы в –
Несколько виде призм­столбиков, обычно тысячных
с внутренними воздушными полостями.
Кристаллическая. Кристаллы в –
Несколько виде пустотелых призм­
тысячных
столбиков, отдельных или в виде комплексов.
Кристаллическая. Кристаллы в –
Несколько виде призм­столбиков, часто тысячных, пустотелых,
нередко иногда до соединенных в комплексы. сотых
Реже – толстые пластинки.
Преимущественно капельная, от 4 до 5
От 0.1
иногда смешанная, еще реже до 0.2
кристаллическая. Кристаллы – толстые пластинки, столбики, комплексы столбиков. Реже бесформенные и тонкие пластинки.
Равновероятно смешанная или От 4 до 5
От 0.2
кристаллическая.
Реже до 0.5
капельная. Кристаллы в виде столбиков, толстых пластинок, реже бесформенные и тонкие пластинки. В нижних частях слоя также капли дождя (при положительных температурах) или снежинки (при отрицательных) 80
Слоисто­кучевые
В основном капельная, иногда смешанная, крайне редко кристаллическая. Кристаллы – в виде тонких пластинок или игл
5
От 0.2
до 0.5
Продолжение таблицы 3.1
Форма облаков
Слоистые
Слоисто­дождевые
Кучевые
Кучево­дождевые
Средний радиус Водность, Микроструктура
капель, г/м³
мкм
В основном капельная, иногда От 4 до 5
От 0.1
смешанная, крайне редко до 0.5
кристаллическая. Кристаллы в виде тонких пластинок или игл
В основном смешанная, реже От 6 до 7
От 0.1
водяная или кристаллическая. до 0.5
Кристаллы в верхней части – столбики и комплексы столбиков, в средней – толстые пластинки, столбики и бесформенные, в нижней – тонкие пластинки и иглы. В средних и нижних частях слоя также капли дождя (при положительных температурах) и снежинки и хлопья снежинок (при отрицательных)
Капельная. Капли мельче в –
В кучевых нижней части облака и крупнее плоских от в центральной и верхней частях
0.2­0.5, в мощно­
кучевых до 0.5­3.0
От 0.5 до В нижних частях капельная, в –
81
верхних смешанная и кристаллическая. Наряду с обычными облачными каплями и кристаллами в облаках наблюдаются капли дождя, крупа и иногда градины
82
нескольких единиц
При аэрозольном рассеянии угловое распределение рассеянного света (форма индикатрисы рассеяния) и, в частности, положение максимумов рассеянного света зависит от μ. Известную роль при этом играет и показатель преломления рассеивающих частиц. Когда μ достигает значений, соответствующих мелким каплям или кристаллам облаков и туманов, на индикатрисах рассеяния появляются дифракционные максимумы, угловые размеры которых определяют размеры венцов. При укрупнении капель облаков и осадков (радиус капель, как правило, больше 10 мкм) на индикатрисах рассеяния возникают дифракционные максимумы («лепестки») с угловыми размерами, соответствующими положению радуг различных порядков.
Рассеяние света на кристаллах льда размером более 10­20 мкм порождает дифракционные максимумы (пики), известные под названием гало. Возникновение и яркость оптических явлений, помимо μ, зависит от оптической толщины облака, тумана или завесы дождя. Яркие венцы, глории, радуги и гало могут наблюдаться только в тонких облаках, оптическая толщина которых не превышает единицу. При таких оптических толщинах многократное рассеяние света не играет заметной роли и не размывает дифракционных максимумов и минимумов, возникших при однократном рассеянии (дифракции). По этой же причине яркие радуги возникают при умеренных или слабых дождях, а не при сильных, образующих плотную завесу. Яркие и многочисленные радуги наблюдаются также в фонтанах и струях поливальных машин, поскольку капли крупные, оптическая толщина завесы из капель небольшая, а фон неба темный. То же самое можно сказать и о возникновении ярких гало.
83
При дальнейшем увеличении размеров капель и кристаллов закономерности и соотношения теории рассеяния переходят в законы, установленные на основе представлений геометрической оптики.
3.2.1 Венцы Венцами называются малые радужные круги вокруг Луны или Солнца, если последние просвечивают сквозь тонкие капельно­жидкие или кристаллические облака, например Аs, Ас, Сs. Непосредственно к светилу примыкает кольцо, угловой размер которого в зависимости от радиуса капель облака может изменяться в широких пределах — от долей градуса до 13°. Это ореол (или венец) первого порядка. Наблюдения показали, что ореол разноцветен: к светилу примыкает синеватая кайма, переходящая в желтоватую в середине и коричневато­красную на внешнем крае. За ореолом следуют концентрические с ним венцы второго, третьего и следующих порядков, в которых синий цвет внутри сменяется зеленым, а затем красным. Чаще всего виден только ореол, но иногда и три­четыре кольца. Размеры венцов переменные: от долей градусов до 4­5°.
Венцы возникают при однократном рассеянии за счет дифракции лунного или солнечного света на каплях или кристаллах облаков.
При рассеянии естественного солнечного или лунного света образуются радужные кольца, разделенные темными промежутками.
Наблюдая за венцами, можно судить о том, что происходит с каплями и кристаллами в облаке: при увеличении угловых размеров венцов размеры капель уменьшаются.
84
Перечислим ряд других явлений, родственных венцам и имеющих одинаковое с ними происхождение.
Г лориями называются радужные венцы, состоящие из одного или нескольких ярких концентрических колец вокруг тени самолета, отбрасываемой на нижележащее облако. Нимб — это венец или сияние (корона) вокруг тени головы человека, идущего по покрытому росой лугу рано утром, когда только что взошло Солнце. Брокенский призрак — это радужные кольца, образующиеся при низком Солнце вокруг тени человека, на боковой стороне тумана, находящегося на некотором расстоянии от человека. Такие условия часто создаются в горах рано утром. Явление впервые наблюдалось на г. Брокен в ФРГ.
Согласно теории дифракции, перечисленные явления можно объяснить аналогично венцам, но в этих случаях подвергаются дифракции и солнечные лучи, отраженные от капель облаков, росы или тумана (дифракция назад). Глорию иногда называют антивенцом.
Ириз ация облаков — радужные пятна на краях облаков Sс или Ас, а также в конденсационных следах за самолетами. Иризация, в отличие от венцов, возникает при наличии более мелких элементов облаков и при резко выраженных различиях в размерах мелких капель.
Кольцо Бишопа — венец коричнево­красного (на внешнем крае) цвета радиусом около 22° и шириной около 10°. Образуется вокруг Солнца после интенсивных извержений вулканов. О том, что это венец, а не гало, свидетельствует расположение цветов. Большой размер венца объясняется малыми размерами частиц (меньше 2 мкм), образовавшихся в верхних слоях атмосферы из газов вулканических извержений.
85
3.2.2 Радуги
Радуга — цветная дуга с угловым радиусом около 42° с центром в антисолярной точке и видимая на фоне завесы дождя (или полос падения, часто не достигающих Земли), в стороне противоположной Солнцу, обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Внешний край радуги красный, за ним идут оранжевая, желтая, зеленая, сине­голубая и фиолетовая дуги.
Иногда видна вторая радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 50° и обратным расположением цветов. Около водопадов и фонтанов иногда наблюдаются, кроме описанных радуг, еще слабые дополнительные дуги около фиолетовых краев радуг с неполным набором цветов спектра, а также одна или две радуги вокруг Солнца [8].
Объяснение возникновения радуги можно сделать на основании законов преломления и отражения солнечного света в рамках геометрической оптики. Впервые такое объяснение радуги было дано еще Декартом в 1637 г. (для белых лучей) и дополнено Ньютоном применительно к цветным лучам. Пучок параллельных солнечных лучей падает на каплю. Поверхность капли шарообразная, поэтому углы падения лучей изменяются от 0 до 90°. Преломившись, луч входит в каплю и далее может частично выйти из капли. Часть энергии этого луча, испытав здесь внутреннее отражение, проходит некоторое расстояние. Здесь снова часть энергии луча выходит из капли, а часть после второго внутреннего отражения проходит следующее расстояние и т. д. В принципе луч может испытать любое число k внутренних отражений. Образование второй радуги объясняется аналогично, только в этом 86
случае луч испытывает двукратное отражение внутри капли [5].
Расположение цветов во второй радуге обратное первой. Вторая радуга бледнее первой, так как она образована лучами значительно меньшей энергии, а площадь второй радуги почти в 2 раза больше первой.
Расчеты для радуг порядков k = 3, 4, 5, 6, 7, 8 и т. д. показали, что 3­я и 4­я радуги располагаются вокруг Солнца, 5­я и 6­я — вокруг антисолярной точки, 7­я и 8­я — снова вокруг Солнца и т. д. Согласно расчетам, из энергии луча, упавшего на каплю 6.6 % отражается, 88.5 % проходит сквозь каплю и только 4.9 % испытывает первое внутреннее отражение. Далее пройдя некоторое расстояние снова происходит аналогичное разделение энергии между лучами, выходящим из капли и второй раз отраженным от внутренней поверхности капли. Поэтому на радуги всех порядков расходуется менее 5 % энергии из падающего пучка, при этом около 4 % идет на образование первой радуги. Обычно видна только первая радуга и изредка вторая. На остальные радуги остается слишком мало энергии.
По теории Декарта—Ньютона вид радуги должен быть всегда одинаковым. В действительности же иногда радуга имеет яркие насыщенные цвета, а иногда она блеклая, почти белая, например лунная радуга. Радуга бывает широкая и узкая. Вблизи фиолетовых краев основных радуг появляются дополнительные дуги чаще одна, иногда 2­3, в которых наиболее различимы розовый и зеленый цвета. Расчеты на основании формул теории дифракции показали, что если капли крупные, то радуга получается узкая и яркая с насыщенным красным краем. Дополнительные дуги также имеют более насыщенные тона и располагаются ближе к фиолетовым краям радуг. Если капли мелкие, то радуга получается широкая и почти белая, со слегка 87
красноватым или оранжевым краем. Дополнительные дуги также блеклые и далеко отстоят от фиолетовых краев радуг.
С Земли в лучшем случае видна половина круга радуги, если Солнце на горизонте. С самолета можно увидеть целый круг радуги. При высотах Солнца более 42° первая радуга оказывается под горизонтом, а при высотах более 50° и вторая радуга опускается под горизонт.
Свет радуги характеризуется необычайно высокой степенью поляризации, которая достигает 90 % и более в первой радуге и около 80 % во второй. В этом легко убедиться, если посмотреть на радугу через николеву призму. При небольшом угле поворота призмы радуга пропадает полностью.
3.2.3 Гало Гало возникает при прохождении солнечных лучей через тонкие перисто­слоистые облака или конденсационные следы за самолетом, состоящие из ледяных кристаллов [5]. Явления гало многообразны. Наиболее часто вокруг Солнца появляется круг с угловым радиусом 22°, реже концентрический с ним круг с угловым радиусом 46° и совсем редко круг с угловым радиусом 90°. Иногда виден белый горизонтальный круг, проходящий через Солнце. На пересечении этого круга с кругами гало 22 и 46° появляются яркие радужные пятна — ложные (побочные) Солнца, а также ложные (побочные) Луны. Довольно часто наблюдаются касательные дуги к кругам 22 и 46°, чаще горизонтальные дуги (верхняя и нижняя) и реже боковые. Над Солнцем и под ним в моменты, близкие к восходу или заходу, появляются световые столбы. На белом горизонтальном круге диаметрально противоположно Солнцу или Луне иногда появляются противосолнце и 88
противолуна. Светлое пятно в солнечном вертикале, расположенное под горизонтом на глубине, равной высоте Солнца над горизонтом, называется нижним Солнцем.
По характеру окраски гало делят на две группы: окрашенные в радужные цвета (цветные гало) и неокрашенные (белые гало). К окрашенным гало относятся: все круги вокруг Солнца, ложные Солнца, касательные дуги. Характер окраски у всех гало одинаков. Часть гало, обращенная к Солнцу (дуга, край или бок), окрашена в красный цвет, противоположная — в синевато­сиреневый. К белым гало относятся: горизонтальный круг и световые столбы, Окрашенные гало возникают под влиянием преломления солнечных или лунных лучей в кристаллах, белые — вследствие отражения от кристаллов.
Ледяные кристаллы являются гексагональными. Правильные их формы бывают двух основных типов: 1) кристаллы с хорошо­развитой главной осью — шестигранные ледяные столбики или ледяные иглы; 2) кристаллы с плохо развитой главной осью — шестиугольные пластинки. К последним относятся все формы снежинок.
При падении в атмосфере кристаллы ориентируются таким образом, чтобы сопротивление воздуха их падению было максимальным. Поэтому столбики падают при горизонтальном положении их главных осей, а пластинки и снежинки — при вертикальном. Кристаллы неправильной формы падают при хаотическом положении их главных осей. Рассмотрим три случая ориентации главных осей кристаллов:
1) кристаллы в виде шестигранных столбиков ориентированы так, что 89
их главные оси вертикальны. Солнечные лучи входят в боковые грани и выходят через боковые грани, взятые через одну, образуя радужные пятна ложных Солнц слева и справа от Солнца. В данном случае все солнечные лучи падают в плоскости сечений призм, перпендикулярных главным осям кристаллов, однако разные лучи встречают боковые грани кристаллов под самыми различными углами. Наибольшей энергией, достаточной для образования гало, обладают только минимально отклоненные лучи (как и в радугах). Эти лучи и образуют радужные пятна — ложные Солнца, обращенные к Солнцу своими красными краями. Лучи, падающие на грани под другими углами, претерпевают большее отклонение и образуют светлые (белые) хвосты ложных Солнц, направленные в сторону, противоположную Солнцу;
2) главные оси кристаллов ориентированы горизонтально. Совершенно аналогично предыдущему объясняется появление ложных Солнц над и под Солнцем;
3) ориентация главных осей кристаллов хаотическая. При этом вокруг Солнца возникает круг с угловым радиусом 22°. Из­за того что хаотическое положение главных осей кристаллов является наиболее вероятным, чаще всего и наблюдается круг и значительно реже ложные Солнца.
В том случае, когда угол преломления равен 90°, лучи входят в боковые грани, а выходят через основания или наоборот. В первых двух случаях возникают ложные Солнца соответственно над и под Солнцем и слева и справа от него. Все бесцветные (белые) гало возникают при отражении солнечных лучей от кристаллов. Если значительная часть кристаллов ориентирована так, что 90
отражающие части кристаллов, которые играют роль зеркал, расположены горизонтально и при этом совершают небольшие колебания, то при отражении от них солнечных лучей появляются световые столбы над и под Солнцем. Возникновение светового столба совершенно аналогично возникновению лунной дорожки на воде.
При отражении солнечных лучей от вертикально расположенных частей кристаллов, причем угол падения лучей на отражающие части кристалла может быть любым (от 0 до 90°), возникает белый горизонтальный круг.
Из разнообразных касательных дуг чаще всего наблюдаются горизонтальные касательные дуги (верхняя и нижняя) к кругу в 22°. Они возникают под влиянием колебаний главных осей кристаллов столбчатой формы в горизонтальной плоскости: ложные Солнца при этом размываются в касательные дуги.
Боковые касательные дуги к кругу в 22° должны были бы образовываться кристаллами, падающими при вертикальном положении главной оси, т. е. пластинками и снежинками. Однако такие кристаллы содержат много полостей, наполненных воздухом, и других неоднородностей, хаотически рассеивающих свет во всех направлениях.
В облаках, помимо рассмотренных форм кристаллов, встречаются и более редкие их виды. например столбики с полными или усеченными пирамидками на концах, двойные пирамидальные пластинки и др. Различными комбинациями внешнего отражения от кристаллов, преломления, а также возможных одного или нескольких внутренних отражений в кристаллах при разных высотах Солнца и объясняются редкие формы гало, такие, как противосолнце и связанные с ними световые столбы, круги необычных 91
радиусов (9, 19, 23, 34°), касательные дуги к ним и др.
Появление гало может служить местным признаком изменения погоды. Поскольку гало наблюдаются при наличии Сs, а они, обычно, входят в систему облаков теплого фронта, то появление гало говорит о приближении теплого фронта и изменении погоды, обусловленной его прохождением.
В заключение третьей главы можно сказать:
– облака состоят из капель, средний радиус которых находится в диапазоне от 4 до 25 мкм, а также кристаллов различной формы. Существует два основных типа первичных облачных кристаллов – столбики и пластинки;
– в результате рассеяния света на облачных частицах возникают разнообразные оптические явления (венцы, глории, радуги и гало). Они могут быть использованы для дистанционного визуального определения микрофизических параметров облаков.
92
4 Основные характеристики цифровых фотоаппаратов
Конец XX и начало XXI века стали свидетелями бурного развития информационных технологий [9]. Это коснулось и области цифровых изображений. С понятием «цифровая фотография» в последнее время столкнулось огромное количество людей, начиная от владельцев сотовых телефонов со встроенными камерами и заканчивая профессиональными фотографами, обладающими самыми новыми в этой области устройствами – цифровыми фотоаппаратами. Цифровая фотография обладает на сегодняшний день целым рядом преимуществ относительно традиционной пленочной технологии. Во­первых – скорость получения результата. Цифровая камера позволяет сделать кадр, рассмотреть его, передать в компьютер, а оттуда отправить его на Web­
страницу. Во­вторых – не требуется пленка, так как для хранения информации используются специальные карты памяти. В­третьих – негативы никогда не выцветут, не поцарапаются, не поломаются. В­четвертых – неограниченные возможности по обработке фотографий. В­пятых – снимки получаются очень качественными: никаких царапин, волосков, пыли.
4.1 Устройство цифрового фотоаппарата Вместо пленки в аппарате используется пластина, называемая светочувствительной матрицей [10]. Она покрыта сеткой световых датчиков, которые преобразуют энергию света в электрическую. Датчики называются 93
пикселями. Пиксель – единица измерения разрешения, или качества цифровой картинки. Чем больше датчиков, тем лучше детализация записываемого изображения и больший размер отпечатков, которого можно достичь. Цифровые камеры имеют миллионы датчиков. Один миллион датчиков и есть один мегапиксель.
На каждом датчике есть фильтр, который пропускает красный, синий или зеленый цвет на цветной пленке. Каждый пиксель сохраняет переменные величины цвета для определенной точки в изображении.
При нажатии кнопки затвора, камера записывает величину каждого цвета, которую распознал каждый пиксель в светочувствительной матрице. Микропроцессор камеры – маленький компьютер, который запускает цифровую камеру, собирает информацию, обрабатывает ее и сохраняет в файле на карте памяти. После этого можно передать файл на компьютер или принтер, где эта мозаика из миллионов маленьких кусочков будет восстановлена и собрана воедино, чтобы создать визуальное изображение.
4.2 Основные функции цифрового фотоаппарата
4.2.1 Увеличение изображения (оптическое и цифровое) Подавляющее большинство аппаратов снабжены объективами с переменным фокусным расстоянием, или зум­объективами [9]. Качество современных зум­объективов достаточно высоко и дает возможность фотографу расширить спектр доступных технических приемов. Например, увеличение фокусного расстояния позволяет делать качественные фотографии наиболее интересных моментов во время спортивных 94
соревнований, даже если объекты фотосъемки находятся достаточно далеко. Уменьшение же фокусного расстояния позволяет значительно увеличить угол обзора для осуществления фотосъемки больших групп людей, различных интерьеров, а также пейзажей. Опт ический и цифровой зум . Цифровой зум присутствует у подавляющего количества цифровых аппаратов, однако, в отличие от оптического, он «захватывает» лишь центральную часть изображения, отсекает его края, при этом количество пикселей в центральной части увеличивается путем интерполяции данных (или путем добавления новых «вычисленных» пикселей), что в результате отрицательно сказывается на изображении. Кроме того, эту же операцию можно проделать с гораздо лучшим результатом в любой компьютерной программе редактирования изображений, предварительно скопировав цифровые фотографии в компьютер. Дело в том, что при обработке фотографии на компьютере можно выбрать для увеличения любую, а не только центральную часть изображения.
Оптический зум, в отличие от цифрового, не влияет на качество результирующего изображения: количество пикселей, из которых состоит изображение, остается постоянным и каждый пиксель содержит свою индивидуальную, присущую только ему, информацию. Поэтому в целом изображение получается резким и четким и не зависит от степени увеличения. Наиболее оптимальным считается выбор зум­объекива с трехкратным оптическим увеличением со средним диапазоном фокусных расстояний от 35 до 105 мм.
4.2.2 Фокусировка и экспозиция изображения
95
Затвор – одно из самых важных устройств в камере [10]. Он отмеряет время экспозиции светочувствительной матрицы.
На пленочных камерах затвор физически пропускает на некоторое время поток света к пленке через объектив. Время попадания света на пленку и есть выдержка. На цифровых фотоаппаратах выдержка означает отрезок времени, за который матрица получает свет для захвата изображения. Короткие выдержки позволяют «заморозить» движение, а длинные – зафиксировать некоторое размытие в движении и получить нормально экспонированный кадр в условиях пониженной освещенности. Иногда выдержку можно настроить с помощью специальных режимов камеры. Ручные наст ойки чувст вит ельност и мат рицы. ISO – эквивалент чувствительности пленки. Чем выше число ISO, тем меньше света понадобиться для получения снимка. При повышении чувствительности с начальных 50­100 единиц до 400 или даже 800, то камера сможет использовать более короткую выдержку «замораживания» движения.
При съёмке в автоматическом режиме, нажимая кнопку затвора полностью, камера вычисляет правильное расстояние, чтобы сфокусировать объектив на объекте съемки, который в нем виден. Также она определяет, насколько широко нужно открыть объектив, чтобы захватить свет, который попадает в кадр. После всех этих вычислений и делается снимок.
Кнопка затвора, нажатая до половины и удерживаемая в этом состоянии, является мощным инструментом. Такое положение кнопки затвора позволяет отменить автофокус или автоэкспозицию, когда это необходимо, чтобы получить хорошее изображение.
От м ена авт офокуса
96
Когда объект съемки находится не в центре кадра, то автофокус может неправильно измерить расстояние до него и сделать важную часть снимка нерезкой. Если в камере нет многозонного автофокуса, то надо разместить в центре кадра сюжетно важную часть и нажать кнопку затвора до половины. Не отпуская кнопку и не нажимая ее полностью, перенаправить на объектив, чтобы кадр был скомпонован, как надо, и нажать кнопку до конца.
От м ена авт оэкспозиции
Автоэкспозиция замеряет нужное количество света, требуемое для получения хорошего кадра. Если по центру будет особенно яркая или темная область, то это испортит снимок. Надо повернуть камеру так, чтобы сюжетно важная часть кадра была в центре, и нажать на кнопку затвора. После этого, не отпуская и не нажимая кнопку полностью, перекомпановать кадр и нажать кнопку до упора.
4.2.3 Вспышка
Вспышка добавляет достаточно света, чтобы дать надлежащую экспозицию, когда доступный свет слишком слабый, чтобы можно было сделать хороший снимок. Большинство камер автоматически использует вспышку, когда это необходимо. После вспышки камеры есть обычно короткая задержка, во время которой вспышка перезаряжается.
Когда вспышка включена, видоискатель показывает устойчивый янтарный свет, который говорит о том, что вспышка заряжена и готова к использованию. Обычно цифровые камеры имеют некоторые сложные опции вспышки, помимо простой (включенной или выключенной) вспышки.
97
4.2.4 Жидкокристаллический монитор
ЖК­монитор – существенная особенность цифровых фотокамер [10]. В большинстве случаев через него гораздо удобнее и лучше компоновать кадр, чем с помощью оптического видоискателя. Все камеры имеют оптический видоискатель, который слишком маленький и может обмануть при съемке на близкой дистанции.
ЖК­монитор показывает то, что охватывает объектив камеры, давая точный предварительный просмотр компоновки кадра. Он позволяет просмотреть сделанный снимок и при необходимости переснять, удалив неудачные кадры с карты памяти.
Рядом с ЖК­монитором находится кнопка «меню». Нажав ее, можно получить доступ к большинству цифровых версий опций пленочных камер, таких как инструменты управления экспозицией, фокусировкой. Там же находятся и цифровые инструменты для автоматизации задач.
4.2.5 Качество и разрешение изображения
Помимо разрешения очень сильно влияет на качество изображения элемент, называемый сжатием. Это техника для уменьшения размера файла, позволяющая увеличить количество кадров на карте памяти и уменьшить время записи файла на компьютер. Но чем сильнее сжат файл изображения, тем меньше деталей он содержит и ниже его качество. Можно снять кадр с максимально возможным количеством пикселей, но если оно сильно сжато, то качество будет хуже, чем меньшее изображение с меньшим сжатием. Большинство камер позволяют выбирать установки разрешения и качества сжатия файлов.
98
Чем выше качество сжатия и разрешение, тем больше места занимает на карте памяти каждый файл. Если снимать изображения для web­сайтов или электронной почты и никогда их не распечатывать, то просто незачем выбирать максимальные установки. Этим экономится время, которое камера тратит на обработку каждого кадра. Далее придется уменьшать размер картинки, а это только добавит работы и отнимет время. Нет никакой общепринятой терминологии относительно установок качества изображения. Камера может иметь несколько установок качества. Они могут изменяться в зависимости от выбранного разрешения записываемого изображения. Некоторые производители камер, например, предлагают очень высокое сжатие изображений с небольшим разрешением, которые используются для электронной почты и Интернета, но это не подходит для больших файлов, которые нужны для последующей распечатки.
Когда два изготовителя используют одинаковые названия для описания уровня качества, фактически файлы могут иметь разный размер. Даже разные камеры одного изготовителя могут довольно сильно отличаться по этому параметру, в зависимости от модели и времени выпуска.
Итак, надо выбирать установки высшего качества для фотографий в большом формате, средние – для небольших снимков и низкие – для изображений, отправляемых по электронной почте и размещаемых в Интернете. Можно смешивать типы файлов и размеры на одной и той же карте памяти, таким образом использовать разные форматы для различных изображений, только изменяя установки.
4.2.6 Форматы хранения изображений
99
Цифровая камера может снимать и сохранять файлы в любом доступном ей формате. Есть три основных типа файлов, которые предлагают цифровые камеры: JPEG, TIFF и RAW. Все камеры могут сохранять изображения в формате JPEG, который, как правило, заложен при изготовлении. Если камера не позволяет менять формат файла, то это JPEG.
Некоторые камеры также поддерживают формат файла, который может содержать подробную информацию и намного лучшее качество изображения, чем JPEG. При выборе формата RAW или TIFF предпочтительней RAW из­за меньшего размера и гораздо большей гибкости в последующей обработке. Эти форматы хорошо использовать для последующей печати на домашнем фотопринтере. Также форматы RAW и TIFF подходят только в том случае, если есть компьютер и программа обработки растровой графики, которая может открыть файл в таком формате. Эти форматы занимают много места на карте памяти и требуют наличия более мощного компьютера.
4.2.7 Носители данных
В цифровых камерах снимки записываются на сменные носители информации – карты памяти. Важной особенностью карт памяти является сохранение содержимого при отключении от источника питания. Все они разные по емкости, скорости работы и внешнему виду.
Compact Flash (CF) – карты чаще всего встречаются в цифровых камерах. Существуют две разновидности – Тип I и Тип П. На картах CF Тип I нет специфичного наплыва с верхней стороны. Это означает, что карты Тип I могут использоваться в любой камере и в любом другом устройстве, а карты Тип II – только в тех, где есть подходящее гнездо для этого наплыва. Эти 100
карты очень устойчивы.
Microdrive – микродрайвы имеют тот же размер, что и предыдущие карты. Хотя они и очень похожи на флэш­карты по внешнему виду, но на самом деле это жесткие диски со всеми их многочисленными достоинствами и столь же многочисленными недостатками. Удельная стоимость мегабайта у них меньше, чем у карт Compact Flash, но если вы ее уроните, то потеряете гораздо больше файлов.
Smart Media – эти карты немного больше, чем Compact Flash, но гораздо тоньше. Сейчас они уже почти не используются из­за ограниченной емкости. Имеют очень большой недостаток – контакты на виду и могут загрязниться от прикосновений пальцев. В результате камера не сможет ее прочитать.
Picture Card – формат, разработанный фирмами Olympus и Fujifilm для своих камер. Создан на основе карт Smart Media, но лишен многих ее недостатков. В первую очередь – большого размера и контактов.
Memory Stick – используются в немногих камерах, в частности в камерах и других цифровых устройствах, выпускаемых компанией «Sony». Кроме того, их иногда используют «Konica» и «Minolta».
Multi Media Card (ММС) – являются наименьшими по размеру картами памяти (примерно с почтовую марку). Такого же размера, но чуть толще есть и другой носитель – Secure Digital, который имеет большую емкость и скорость чтения и записи.
В данной работе для получения изображений используется цифровой фотоаппарат Panasonic DMC­LZ1, технические характеристики которого приведены в таблице 4.1.
101
4.3 Загрузка изображений в компьютер
Практически все производители цифровых камер используют для передачи изображений на компьютер порт USB [9]. Он обеспечивает достаточно высокую скорость обмена и позволяет подключить устройство без отключения электропитания компьютера. Для передачи изображений в компьютер используют специальный драйвер так называемый TWAIN – стандартизированный набор функций передачи графической информации между камерой и программой обработки изображений. После подключения камеры драйвер создает логический диск, к которому напрямую обращается пользователь. При этом можно просматривать отснятые кадры, копировать интересующие и удалять неудачные. Далее изображения можно обработать в графическом редакторе.
102
Таблица 4.1 – Технические характеристики цифрового фотоаппарата Panasonic DMC­LZ1
Техническая характеристика
Общее количество пикселей
Значение
оптическое разрешение – 4230000 пикселей,
Максимальное разрешение
Фокусное расстояние
цифровое разрешение – 4000000 пикселей
2304х1728 пикселей
от 6.1 до 36.6 мм (в 35­мм эквиваленте от 37 до 222 мм)
Светочувствительность по ISO автоматический/ 64/ 100/ 200/ 400
Выдержка
диапазон выдержек от 8 сек до 1/2000 сек
Объектив
встроенный вариообъектив
Оптическая конструкция включает 8 Вспышка
Дисплей
элементов в 7 групп
рабочий диапазон от 0.3 до 4.0 м
встроенный цветной ЖК дисплей с диагональю 2.0" и разрешением 85000 Формат хранения
Носители данных
пикселей
JPEG
встроенная память, карта памяти SD, Порт для компьютера
MultiMediaCard
интерфейс USB
В заключение четвертой главы можно сказать, что снимки облаков были сделаны с помощью цифрового фотоаппарата Panasonic DMC­LZ1. Для получения высокого качества изображений были использованы ручные и полуавтоматические настройки фотоаппарата. Снимки были выполнены с максимальным разрешением 2304х1728 и сохранены в формате JPEG.
103
5 Технические и программные средства предоставления информации о формах облаков
5.1 Компьютерные сети
5.1.1 Локальная сеть
Локальная сеть объединяет компьютеры, установленные в одном помещении (например, компьютерный класс, состоящий из 8­12 компьютеров) или в одном здании (несколько десятков компьютеров, установленных в различных кабинетах некоторого учреждения) [13].
Локальная сеть ­ коммуникационная система, состоящая из нескольких компьютеров, соединенных между собой посредством кабелей (телефонных линий, радиоканалов), позволяющая пользователям совместно использовать ресурсы компьютера: программы, файлы, папки, а также периферийные устройства: принтеры, плоттеры, диски, модемы и т.д.
Одноранговая локальная сет ь
В небольших локальных сетях все компьютеры обычно равноправны, т.е. пользователи самостоятельно решают, какие ресурсы своего компьютера сделать общедоступными. Такие сети называют одноранговым и. Одноранговая локальная сеть ­ сеть поддерживающая равноправие компьютеров и предоставляющая пользователям самостоятельно решать какие ресурсы своего компьютера (папки, файлы, программы) сделать общедоступными.
104
Локальная сет ь на основе сервера. Если к локальной сети подключено более 10 компьютеров, одноранговая сеть может оказаться недостаточно производительной. Для увеличения производительности, а также в целях обеспечения большей надежности при хранении информации в сети, некоторые компьютеры специально выделяются для хранения файлов или программ­приложений. Такие компьютеры называются серверам и, а локальная сеть – сет ью на основе серверов. Сервер ­ специальный управляющий компьютер, предназначенный для:
1) хранения данных для всей сети;
2) подключения периферийных устройств;
3) централизованного управления всей сетью;
4) определения маршрутов передачи сообщений.
Каждый компьютер, подключенный к локальной сети, должен иметь: Сет евой адапт ер – специальная плата, предназначенная для передачи и приема информации из сети. Соединение компьютеров (сетевых адаптеров) между собой производится с помощью кабелей различных типов (коаксиальный, витая пара, оптоволоконный). Кабель – основной канал связи – физическая среда передачи информации. Основная характеристика канала связи – пропускная способность, т.е. максимальная скорость передачи информации (измеряется в бит/сек, килобит/сек, мегабит/сек). В локальных сетях используются следующие виды каналов связи: Вит ая пара ­ проводной канал связи, содержащую пару скрученных проводников, обладает малой пропускной способностью – менее 1 Мбит/сек. 105
Скручивание позволяет повысить помехоустойчивость кабеля и снизить влияние каждой пары на все остальные. Коаксиальный кабель ­ состоит из центрального проводника (сплошного или многожильного), покрытого слоем полимерного изолятора, поверх которого расположен другой проводник (экран). Экран представляет собой оплетку из медного провода вокруг изолятора или обернутую вокруг изолятора фольгу. Опт оволоконный кабель ­ состоит из тонкого стеклянного цилиндра, покрытого оболочкой с другим коэффициентом преломления. Существуют и беспроводные локальные сети. В них информация между компьютерами передается с помощью инфракрасных лучей. Недостаток: наличие помех, создаваемых другими источниками той же частоты, а также сложность защиты данных от несанкционированного доступа, поскольку передаваемые сообщения в таком случае может воспринимать любой приемник, настроенный на ту же частоту. Хаб (коммутатор, концентратор) ­ специальное устройство, предающее сигналы от одних подключенных к нему компьютеров к другим. Каждый хаб имеет от 8 до 30 разъемов (портов) для подключения либо компьютера, либо другого хаба. К каждому порту подключается только одно устройство. Хабы являются сердцем системы и во многом определяют ее функциональность и возможности.
Топологии локальных сет ей
Топология (структура) локальной сети – конфигурация сети, порядок соединения компьютеров в сети и внешний вид сети [14]. При помощи кабеля в локальной сети каждый компьютер соединяется с 106
другими компьютерами. Структуру локальной сети можно описать с помощью сетевой информационной модели. Выделяют четыре типа соединения компьютеров, представленных на рисунке 5.1:
1) «общая шина» – вариант соединения компьютеров между собой, когда кабель проходит от одного компьютера к другому, последовательно соединяя компьютеры между собой;
2) «звезда» – к каждой рабочей станции подходи отдельный кабель из одного узла ­ сервера. Сервер обеспечивает централизованное управление всей сетью, определяет маршруты передачи сообщений, подключает периферийные устройства, является хранилищем данных для всей сети; 3) «кольцо» – все компьютеры связаны в кольцо, и функции сервера распределены между всеми машинами сети. Недостаток: при выходе из строя любой ЭВМ работа сети прерывается; 4) «дерево» (снежинка) ­ позволяет структурировать систему в соответствии с функциональным назначением элементов. Наиболее гибкая структура. Практически все сложные системы имеют в своем составе иерархические структуры.
а)
б)
107
в)
г)
Рисунок 5.1 – Топологии локальных сетей:
а) «общая шина»;
б) «звезда»;
в) «кольцо»;
г) «дерево»
108
5.1.2 Глобальная сеть
Локальные компьютерные сети можно объединять друг с другом, даже если между ними очень большие расстояния [13]. Для связи между локальными сетями можно использовать любые средства связи — разница только в надежности (в уровне помех), в скорости передачи данных (пропускной способности линии) и в стоимости использования линии. Как правило, чем лучше линия, тем дороже стоит ее аренда, но тем больше данных можно пропустить по ней в единицу времени.
При соединении двух или более сетей между собой, возникает межсетевое объединение и образуется глобальная компьютерная сеть. Глобальная сеть – сложная структура, основанная на трех основных принципах: – наличие единого центра, ведающего координацией деятельности и развитием сети; – использование системы маршрутизации, позволяющей сообщению двигаться по цепочке узлов сети без дополнительного вмешательства человека; – применение единой стандартной адресации, делающей сеть «прозрачной» для внешних сетей, а последние доступными для любой абонентской точки системы.
Рассмотрим принципы адресации в глобальной сети [15]. Например, доменный адрес (доменное имя) www.microsoft.com обозначает компьютер с именем www в домене microsoft.com. Microsoft – это название фирмы, com ­ это домен коммерческих организаций. Имя компьютера www говорит о том, что на этом компьютере находится WWW­сервис. Это стандартный вид 109
адреса серверов крупных фирм (например, www.intel.com, www.amd.com и т.д.). Имена компьютеров в разных доменах могут повторяться. Кроме того, один компьютер в сети может иметь несколько DNS­имен.
Домен 1 уровня обычно определяет страну местоположения сервера (ru – Россия; ua – Украина; uk – Великобритания; de – Германия) или вид организации (com – коммерческие организации; edu ­ научные и учебные организации; gov ­ правительственные учреждения; org – некоммерческие организации). Когда вводится доменное имя, например, www.mrsu.ru, компьютер должен преобразовать его в адрес. Чтобы это сделать, компьютер посылает запрос серверу DNS, начиная с правой части доменного имени и двигаясь влево. Его программное обеспечение знает, как связаться с корневым сервером, на котором хранятся адреса серверов имён домена первого уровня (крайней правой части имени, например, ru). Таким образом, сервер запрашивает у корневого сервера адрес компьютера, отвечающего за домен ru. Получив информацию, он связывается с этим компьютером и запрашивает у него адрес сервера mrsu. После этого от сервера mrsu он получает адрес www компьютера, который и был целью данной прикладной программы.
В Интернет используются не просто доменные имена, а универсальные указатели ресурсов URL (Universal Resource Locator).
URL включает в себя:
– метод доступа к ресурсу, т.е. протокол доступа (http, gopher, WAIS, ftp, file, telnet и др.);
– сетевой адрес ресурса (имя хост­машины и домена);
– полный путь к файлу на сервере.
В общем виде формат URL выглядит так:
110
method://host.domain/path/filename,
где method ­ одно из значений, перечисленных ниже:
file ­ файл на локальной системе;
http ­ файл на World Wide Web сервере;
gopher ­ файл на Gopher сервере;
wais ­ файл на WAIS (Wide Area Information Server) сервере;
news ­ группа новостей телеконференции Usenet;
telnet ­ выход на ресурсы сети Telnet;
ftp – файл на FTP – сервере;
host.domain – доменное имя в сети Интернет.
Например, URL может выглядеть так:
http://support.vrn.ru/archive/index.html.
Префикс http:// указывает, что далее следует адрес Web­страницы, archive описывает каталог с именем archive на сервере support.vrn.ru, а index.html ­ имя файла.
Данные в Интернет пересылаются не целыми файлами, а небольшими блоками, которые называются пакетами. Каждый пакет содержит в себе адреса компьютеров отправителя и получателя, передаваемые данные и порядковый номер пакета в общем потоке данных. Благодаря тому, что каждый пакет содержит все необходимые данные, он может доставляться 111
независимо от других, и довольно часто случается так, что пакеты добираются до места назначения разными путями. А компьютер­получатель затем выбирает из пакетов данные и собирает из них тот файл, который был заказан.
Компьютер, подключенный к сети Интернет и обеспечивающий обслуживание пользователей сети, называется сервером [14]. Одним из способов обмена информацией между пользователями и серверами является World Wide Web (WWW) – гипертекстовая, а точнее, гипермедийная информационная система поиска ресурсов Интернета и доступа к ним. Совокупность документов в Интернет, связанных между собой ссылками называется сайтом. Гипертекст — информационная структура, позволяющая устанавливать смысловые связи между элементами текста на экране компьютера таким образом, чтобы можно было легко осуществлять переходы от одного элемента к другому. На практике в гипертексте некоторые слова выделяют путем подчеркивания или окрашивания другой цвет. Выделение слова говорит о наличии связи этого слова с некоторым документом, в котором эта тема рассматривается более подробно.
5.2 Язык разметки гипертекста HTML
5.2.1 Основные определения языка разметки HTML
Всемирная паутина World Wide Web (WWW) состоит из множества связанных между собой электронных документов, представляющих банк информационных данных, описанных с помощью специальных технологических правил. Эти правила составляются на языке гипертекстовой 112
разметки HTML (HyperText Markup Language) [12].
Язык разметки HTML является основой всех размешенных в Интернете электронных документов. Он выступает в роли фундамента, на базе которого реализуются прочие сетевые программные технологии, призванные в конечном итоге повысить общую привлекательность, эффективность и интерактивность носителей информационных данных в Сети.
Создание папки сайт а. Обычно сайт создается на локальном компьютере, а затем, когда он готов к публикации, копируется на Web­
сервер [11]. Создание сайта на локальном компьютере имеет три преимущества:
– создать локальный сайт намного быстрее и проще. Его можно редактировать, даже не имея доступ в Интернет;
– страницы окончательной версии сайта (для Web) должны быть в состоянии, пригодном для публикации, и не содержать промежуточных элементов;
– локальная копия поможет восстановить сайт, даже если Web­сервер, на котором он расположен, будет поврежден. Для этого достаточно просто загрузить файлы своего сайта на Web­сервер еще раз.
Создание ст рукт уры ст раницы . HTML – это набор тегов, которые определяют элементы Web­страниц. Тег (или тег разметки) представляет собой имя, заключенными между угловыми скобками (< >), и обычно входит в состав пары (открывающий и закрывающий теги). Между тегами могут быть заключены элементы страницы, такие как текст или графика, которые необходимо форматировать. Закрывающий тег перед именем содержит прямой слэш, для того чтобы отличить его от открывающего тега. Также теги 113
могут иметь атрибуты, которые далее определяют форматирование или функцию этого тега.
Раз дел HTML. Раздел html определяет специфику документа, содержание которого будет интерпретироваться браузером [12]. Раздел описывается открывающим и закрывающим тегами <html> </html> и дает браузеру информацию о том, что документ разработан с помощью языка разметки HTML.
Раз дел HEAD. Раздел head выполняет функцию рабочего заголовка HTML­документа. Теги, указываемые внутри этого раздела, очень важны и могут сильно влиять на внешний вид документа, но сами остаются незаметными глазу пользователя. Данному разделу сопоставлен парный тег <head> </head>.
Раз дел BODY. Раздел body является одним из самых важных компонентов любого HTML­документа, так как в нем располагается содержательная часть, которая выводится браузером на экран монитора пользователя. Раздел описывается парным тегом <body> </body>, внутри которого размещается большинство существующих тегов HTML. Тег <body> имеет ряд параметров, которые условно можно разделить на четыре основные группы: параметры фона, границ документа, текста и гиперссылок.
Создание гиперссылки. Гиперссылки – это ссылки, которые соединяют одну Web­страницу с другими и являются одним из центральных компонентов Web. Любая гиперссылка состоит из двух компонентов: указателя ссылки («якоря» – от английского языка «anchor»), который может являться текстом или изображением, и URL­адреса Интернет­ресурса, на который необходимо осуществить переход. Внешне гиперссылка отличается от обычного текста 114
тем, что при наведении курсора мыши на ссылку, указатель принимает вид руки с указательным пальцем. Сама ссылка подчеркивается.
Добавление граф ики.
Web­страницы получают несомненное преимущество именно при использовании графики. Даже при небольшом ее количестве значительно меняет внешний вид Web­страницы. Создать графику можно различными способами. В данной работе это делается путем загрузки фотографий с цифровой камеры на компьютер.
Любая графическая информация может храниться в двух основных форматах – векторном и растровом. Так как в графическом файле векторного формата недостаточная возможность для работы с фотографическими изображениями, форматом, избранным для демонстрации Web­графики в Интернете, стал растровый формат. Отображение файла растрового формата основано на обработке минимальной единицы рабочей области экрана – точки (пиксела). Для создания графических изображений, предназначенных для размещения в электронных документах, используются три основных стандарта: GIF, JPEG и PNG. Для передачи графических изображений в данной работе используется формат JPEG.
Карт ы­изображ ения. Ранее рассматривались изображения в виде ссылки на один адрес, то есть ссылки на другую страницу. Однако можно отдельные части изображения представить в виде ссылки. Такое изображение называют картой изображения (Imagemaps) и выглядит как обычный графический файл, с привязанными к различным областям этого изображения гиперссылками. Такие области описываются специальными координатами, в соответствии с которыми браузер переносит пользователя на нужную страницу.
115
Конфигурация карт ­изображ ений. Карта­изображение представляет собой обыкновенный графический рисунок, а ее конфигурация определяется в виде значений координатных кривых, которые прописываются в HTML­
коде. Эти значения указывают активные области изображения и содержат информацию о том, куда следует перейти браузеру после нажатия на одну из этих областей. Активные области могут иметь форму прямоугольника, круга и многоугольника.
Типы карт ­изображ ений. Карты­изображения могут быть реализованы в двух вариантах – серверном и клиентском. Серверный вариант реализации карты изображения подразумевает, что документ, в котором прописаны координаты областей, находится на самом Web­сервере, который обязательно должен поддерживать выполнение CGI­сценария. В данной работе применяется клиентский вариант. Он позволяет разместить все данные об активных областях карты­изображения в самом HTML­документе.
5.2.2 Определения основных тегов и параметров, которые использовались при составлении электронного атласа облаков
Создание заголовков. HTML предлагает шесть уровней заголовка, используя для этого парные теги, от заголовка 1 уровня (открывающий тег <h1>, закрывающий тег </h1>), до заголовка 6 уровня (открывающий тег <h6>, закрывающий тег </h6>) [11]. Каждый браузер отображает заголовки, применяя полужирное выделение, используя при этом заданный по умолчанию пропорциональный шрифт и убывающие размеры шрифтов от заголовка 1 уровня (самый большой) до заголовка 6 уровня (самый маленький). Фактический размер шрифта зависит от браузера и от параметров настройки 116
экрана пользователя. Если пользователь увеличит размер текста, чтобы страница лучше читалась, то и размер шрифта также увеличивается.
Цент рирование. Центрирование любых элементов HTML­документа может быть осуществлено с помощью тега <center>. Все данные, размещенные внутри тега открывающего тега <center> и закрывающего тега </center>, подлежат горизонтальному выравниванию по середине окна браузера [12].
Добавление переноса ст роки. Для того чтобы отобразить весь текст в пределах окна Web­браузеры автоматически добавляют перенос строки в пределах абзаца [11]. Поэтому при просмотре вид Web­страницы будет зависеть от разрешающей способности монитора, размера окна браузера и заданного по умолчанию размера текста. Для того чтобы явно указать браузеру на перенос строки в определенном месте в тексте используется тег <br>.
Парам ет ры фона. Документом фона является параметр bgcolor [12]. Он устанавливает цвет фона, значение которого может быть введено в символьном эквиваленте, в шестнадцатеричном коде или в формате цветовой модели RGB. Система указания цвета в HTML основана на трех основных цветах: красном, зеленом и синем. Любое значение RGB может быть преобразовано в шестнадцатеричный формат (от 00 до FF с приставкой #). Некоторым значениям упомянутых моделей соответствуют символьные название цвета. Таким образом, один и тот же цвет можно указать тремя возможными способами.
В случае необходимости указания специальных свойств отдельному фрагменту текста используется тег <div>. Изменение свойств осуществляется с назначением выбранному фрагменту текста стилевого шаблона. Для тега 117
<div> обязательно наличие закрывающего тега, а также возможно добавление параметра типа выравнивания align.
Параметр align отвечает за тип горизонтального выравнивания текста в окне браузера. Align=”justify” – выравнивание по ширине окна браузера.
Как уже говорилось, любая гиперссылка состоит из двух важных частей: указателя ссылки и адреса ресурса, на который необходимо осуществить переход. Указатель ссылки описывается тегом <a>, а адрес перехода реализован с помощью параметра href, значением которого является путь к тому или иному интернет­ресурсу. Закрывающий тег </a> обязателен.
Маркированны е списки. Распространенным способом структуризации информационных данных является создание маркированных списков. Маркированный список представляет собой ненумерованный или неупорядоченный перечень элементов, для заголовка которых используются специальные маркеры. Для создания маркированных списков применяется тег <ul>, внутри которого располагаются элементы самого списка, за указание которых отвечает специальный тег <li>. Тег <ul> может содержать параметр type, который отвечает за форму отображаемого браузером маркера. Существует три возможных значения данного параметра:
1) type=disc – значение, используемое по умолчанию, отображает маркер в виде закрашенного круга;
2) type=circle – маркер отображается в виде кольца;
3) type=square – отображение маркера в виде закрашенного квадрата.
Для вставки графических изображений в
HTML­документы используется специальный тег <img>, который не требует наличия закрывающего тега. Параметры тега <img>:
118
1) Параметр src – выполняет важную роль в графическом изображении на странице. Он задает путь к рисунку.
2) Параметры width и height – используются для определения размеров графического изображения (ширина и высота, в пикселах).
Теги определения акт ивных област ей карт ы­изображ ений. При использовании клиентского варианта в тег <img> добавляется параметр usemap [12]. Для определения конфигурации активных областей карты­
изображения используется специальный тег <map> с параметром name, который должен соответствовать свойству параметра usemap в теге <img>. Описание карты­изображения следует сразу же после указания тега рисунка <img>. Описание активных областей карты­изображения осуществляется с помощью тега <area>, не требующего за собой закрывающего тега. Тег <area> может включать следующие параметры:
1) shape – определяет форму активной области;
2) coords – осуществляет выбор конкретной активной области и содержит значения пар координат. Начало координат размещается в верхнем левом углу графического изображения, которому соответствует начальное значение 0, 0;
3) alt – параметр альтернативного текста, играет существенную роль в процессе встраивания графики в электронные документы. Он используется для вывода смысловых подсказок для значимых графических элементов;
4) href – наличие гиперссылки для данной области.
5.3 Описание разработанного электронного атласа облаков
В процессе написания дипломной работы был разработан Интернет­
119
сайт, представляющий собой электронный атлас облаков. Сайт состоит из начальной страницы, представленной на рисунке 5.2, на которой указаны 10 основных форм облаков, а также туман. Для каждой формы указывается внешний вид, высота основания, толщина слоя, оптические явления и прозрачность, возможность выпадения осадков. А также подробно рассматриваются виды и разновидности, связь основных форм с другими формами, характерные особенности по наблюдениям снизу и процессы их образования. Пример такого описания представлен на рисунке 5.3. Для наглядного представления для каждой формы (вида, разновидности) облаков кроме текстовой информации проводятся наборы изображений облаков. Переход от текстовой информации к графической осуществляется с помощью гиперссылок, описанных выше в данной главе. При работе пользователя с изображениями реализован интерактивный механизм, заключающийся в появлении на экране монитора информации, со значениями параметров облаков на указанном участке изображения. Эти данные могут быть получены путем наведения указателя манипулятора типа «мышь» на участок изображения, соответствующий облаку. Эта информация включает в себя название формы облаков, высоту нижней границы облаков, температуру, водность, а также формы кристаллов и радиусы капель (см. рисунок 5.4). При наличии на изображении двух или более форм облаков предусмотрен вывод информации о каждой из них (см. рисунок 5.5).
120
Рисунок 5.2 – Начальная страница электронного атласа облаков
121
Рисунок 5.3 – Пример описания формы облаков
122
Рисунок 5.4 – Пример интерактивного получения информации об облаках
123
Рисунок 5.5 – Пример интерактивного получения информации об облаках разных видов
124
Для всех изображений, полученных в ходе дипломного проектирования, были определены значения основных параметров атмосферы в приземном слое. Эти данные включают в себя информацию о температуре, атмосферном давлении, влажности воздуха, скорости и направления ветра, а также метеорологической дальности видимости. Они также могут быть получены интерактивным путем (см. рисунок 5.6). Большинство изображений сопровождается данными аэрологического зондирования на станции 26063 Санкт­Петербург. Поскольку данные аэрологического зондирования соответствуют двум срокам измерения (4 и 16 часов Московского времени) каждому изображению соответствует аэрологическая диаграмма в ближайший срок зондирования. Пример аэрологической диаграммы, соответствующий изображению облаков на рисунке 5.4 представлен на рисунке 5.7. Наличие диаграммы позволяет провести сопоставление формы облаков и вертикального распределения температуры и влажности воздуха.
Первые результаты апробации разработанного электронного атласа облаков показали, что для получения изображения облаков пользователями низкоскоростных каналов связи (с использованием модема) тратится значительное время и средства. Для увеличения скорости передачи изображений размеры изображений были уменьшены с исходного 2304х1728 на 727х545, то есть в 10 раз. Следовательно, время передачи изображения уменьшилось в 10 раз. Общий результат апробации показывает, что пользователи уверенно ориентируются в структуре интернет­сайта и быстро получают информацию об интересующей форме облаков. В заключение пятой главы можно подвести итог:
–изложены
принципы построения локальных и глобальных компьютерных сетей; –для
представления пользователям информации о формах облаков может быть использована гипермедийная информационная система World Wide Web;
125
–подробно описан язык разметки гипертекста HTML, который является наиболее используемый в глобальной системе Интернет;
–составлено детальное описание разработанного в ходе дипломного проектирования интернет­ресурса электронного атласа облаков;
–представлены иллюстрации, поясняющие основные особенности работы с атласом облаков.
Рисунок 5.6 – Пример интерактивного получения информации об облаках и о состоянии приземного слоя
126
127
Рисунок 5.7 – Пример аэрологической диаграммы
128
Заключение
На основе материала, изложенного в теоретической части дипломного проекта можно сделать следующие выводы:
– существуют три классификации форм облаков (морфологическая, генетическая и по агрегатному состоянию);
– показано, что для создания электронного атласа облаков целесообразнее всего использовать морфологическую классификацию облаков, позволяющую различать формы облаков по внешнему виду с поверхности земли;
–существует три типа атмосферных фронтов с каждым из которых связана облачная система, состоящая из определенных форм облаков;
–выпадение осадков может быть связано как с атмосферными фронтами, так и с развитием внутримассовых процессов осадкообразования, их вид и интенсивность служат хорошими признаками определения форм облаков;
–каждое облако испытывает непрерывную эволюцию во времени. Наблюдения за изменениями формы облаков позволяют понять процессы, происходящие в атмосфере;
–облака как местный признак погоды используется, лишь в расчете на типичную фронтальную или внутримассовую облачность, связанные с ней явления и на свойственную им дальнейшую эволюцию;
– облака состоят из капель, средний радиус которых находится в диапазоне от 4 до 25 мкм, а также кристаллов различной формы. Существует два основных типа первичных облачных кристаллов – столбики и пластинки;
129
– в результате рассеяния света на облачных частицах возникают разнообразные оптические явления (венцы, глории, радуги и гало). Они могут быть использованы для дистанционного визуального определения микрофизических параметров облаков;
– изложены принципы построения локальных и глобальных компьютерных сетей; –для
представления пользователям информации о формах облаков может быть использована гипермедийная информационная система World Wide Web;
–подробно описан язык разметки гипертекста HTML, который является наиболее используемым в глобальной системе Интернет;
–составлено детальное описание разработанного в ходе дипломного проектирования интернет­ресурса электронного атласа облаков. Приведены иллюстрации, поясняющие основные особенности работы с атласом облаков.
При выполнении практической части дипломного проекта были получены следующие результаты:
1) разработан электронный атлас облаков с использованием цифровых изображений, полученных в процессе дипломного проектирования;
2)
снимки облаков были сделаны с помощью цифрового фотоаппарата Panasonic DMC­LZ1 с максимальным разрешением 2304х1728 и сохранены в формате JPEG;
3)
атлас облаков реализован в виде интернет­ресурса, размещенного на сервере в сети Интернет по адресу: http
://
www
. meteolab
. ru
;
4) Проведена апробация работы разработанного интернет­ресурса.
130
Полученные в ходе дипломного проектирования результаты могут найти применение в учебном процессе при обучении специалистов по направлению «Гидрометеорология», а также могут быть полезны всем интересующимся процессами, происходящими в окружающей среде. В процессе выполнения работы все снимки облаков были сделаны только с поверхности земли. Для более детального изучения форм облаков в дальнейших исследованиях можно рекомендовать использовать снимки, сделанные не только с поверхности земли, но и с самолетов.
131
Список использованных источников
1 Атлас облаков / Под ред. А. Х. Хргиана, Н. И. Новожилова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 267 с.
2 Атлас облаков / Под ред. А. Х. Хргиана. – Л.: Гидрометеорологическое изд., 1957. – 180 с.
3 Мейсон Б. Дж. Физика облаков. – Л.: Гидрометеорологическое изд., 1961. – 542 с.
4 Воробьев В. И. Синоптическая метеорология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – 616 с.
5 Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. – Л.; Гидрометеоиздат, 1984. – 751 с.
6 Хргиан А. Х. Физика атмосферы, Т. 2. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 320 с.
7 Хргиан А. Х. Физика атмосферы. – Л.: Гидрометеорологическое изд., 1969. – 646 с.
8 Гуральник И. И. и др., Метеорология / И. И. Гуральник, П. Г. Дубинский, В. В. Ларин, С. В. Мамиконова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1982. – 440 с.
9 Ядловский А. Н. Цифровое фото. Необходимый минимум. Практическое пособие по информатике. – М.: АСТ, 2006. – 32 с.
10 Барон С., Пек Д. Цифровая фотография. Полевое руководство. – М.: НТ Пресс, 2005. – 144 с.
11 Харт­Дэвис Г. HTML. Быстрые шаги. – М.: НТ Пресс, 2005. – 201 с.
132
12 Петюшкин А. HTML. Экспресс­курс. – СПб.: «БХВ­Петербург», 2003. – 242 с.
13 http
://
thor
. kubsu
. ru
/ 14 http
://
stf
. mrsu
. ru
/ 15 http
://
www
. altai
. fio
. ru
/ ПРИЛОЖЕНИЕ А
Виды и разновидности облаков
Латинское название
arcus
basis
calvus
cappillatus
castellanus
congestus
cumuliformis
cumulogenitus
diurnalis
fibratus
floccus
fractostratus
fractus
fractocumulus
fractonimbus
humilis
incus
incus­genitus
inhomogenus
intotus
lenticularis
mammatus
mediocris
Сокращенное латинское название
arc
bas
calv
cap
cast
cong
cuf
cug
diur
fib
floc
St fr
fr
Cu fr
Frnb
hum
inc
ing
inh
int
lent
mam
med
133
Название
дугообразные
база
лысые
волосатые
башенковидные
мощные
кучевообразные
образовавшиеся из кучевых
дневные
нитевидные
хлопьевидные
разорвано­слоистые
разорванные
разорвано­кучевые
разорвано­дождевые
плоские
наковальнеобразные
послегрозовые
неоднородные
беспорядочные
чечевицеобразные
вымеобразные
средние
nebulosus
opacus
pileus
praecipitans
radiatus
spissatus
tractus
translucidus
uncinus
undulatus
vertebratus
vesperalis
virga
neb
op
pil
pr
rad
sp
trac
trans
unc
und
vert
vesp
vir
туманообразные
непросвечивающие
в виде покрывала, шапки
дающие осадки
радиальные, лучевидные
плотные
следы (самолета)
просвечивающие
когтевидные
волнистые
хребтовидные
вечерние
полосы падения осадков
134